舰用变压器冲击响应计算

    变压器是舰船电力系统的重要组成部分,其可靠性对于舰艇的生命力和战斗力有着非常重要的影响。近年来,随着海军对舰船抗冲击性能的日益重视,舰船及其设备的设计必须考虑冲击载荷。舰船上的冲击载荷包括:水中非接触性爆炸,接触性爆炸,空中爆炸或自身武器发射所产生的气浪等。与静载荷和动载荷相比,冲击载荷作用时间短,能量集中,造成的破坏大[1]。众多的海上战例及实船水下爆炸冲击试验结果表明,海军战斗舰艇在水下爆炸环境中所显示出的突出薄弱环节,是舰艇上许多重要设备及装置的抗冲击性能过差[2]。因此通过建立舰用变压器整体有限元模型和研究舰用变压器的抗冲击载荷,对提高舰船电力系统稳定性很具现实意义。

    1 某舰用变压器有限元模型

    1.1 建立变压器几何模型

    某舰用变压器包含铁芯、低压绕组、高压绕组、接线板、环氧垫块、夹件、螺栓、箱体等多个部件,并且它们是由不同的材料所制成,结构比较复杂,在建模的时候就要进行一些简化处理,如将螺旋式绕组简化为层式线饼的堆叠;忽略硅钢片的接触,直接建立铁芯整体模型;底座槽钢与夹件槽钢的螺栓紧固连接简化为两槽钢接触面的焊接。简化的原则是:变压器的主要结构部件的质量基本保持不变,建完模型后的总质量也变化很小,而且简化对有限元分析影响很小。变压器的所有部件,除了预紧螺栓采用Link8三维杆单元建模,其他部件均在ANSYS软件中按实际结构尺寸大小进行实体建模。图1、图2分别为变压器整体几何模型和箱体内部几何模型。

    1.2 网格划分

    由于变压器的结构部件很多,几何模型中体的个数达到760,同时接触面也非常多,而且许多是不规则的,就需要有针对性的进行局部划分,然后再对整体进行自由划分。根据实际情况,变压器通过夹件槽钢在八根预紧螺栓作用下连接的很紧密,而且变压器在完工之前会把没有箱体的变压器浸到一种绝缘油里,待变压器取出,绝缘油冷凝后有很高的强度,变压器各部件连接的更加紧固。因此,变压器各部件间的连接皆执行布尔运算中的粘接命令,包括绕组线饼的上下接触。粘接之后,原来的几何对象之间仍然相互独立,但是有公共的边界,划分网格时具有公共相连的节点,从而认为是连续体关系。定义要划分形成单元的单元类型、实常数、材料属性,然后指定网格划分的密度,随后执行体上划分自由(Free)网格。划分完毕后,单元数共有14. 36万,节点数为3. 75万。之后,在对应节点位置建立八根预紧螺栓的Link8三维杆单元有限元模型。舰用变压器的有限元模型如图3、图4所示。