大型电力变压器油箱吊轴的优化设计

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1、大型电力变压器油箱吊轴的优化设计　　摘要：针对变压器油箱吊轴强度和刚度设计中存在着一定的盲目性问题，本文采用Solidworks软件建立了油箱吊轴，并利用Simulation进行了受力分析，得到了额定工况下吊轴的应力、位移和应变图。在此基础上，对吊轴进行了优化，优化设计后的吊轴材料消耗降低55%，优化设计后吊轴的强度高、刚度好，为变压器的整体优化设计提供了重要依据。Abstract：Aimedattheblindnessproblemintransformerstiffnessandstrengthdesign，thispape

2、rprovidesa3DmodelofpendentaxiswithSolidworkssoftware.WithSimulationdesigner，thestress-strainofpendentaxisinworkingconditionisstudied，andstress，strain，displacementdiagramsarealsogot.Theresultsprovidefoundationforstructuraloptimizationofpendentaxis.Optimizationdesignof

3、thependentaxismaterialconsumptionisreducedby55%.Afteroptimization，pendentaxisgethighstrengthandgoodrigidity，thesestudiesofferimportantreferencetotheoveralloptimizationdesignofthetransformer.5关键词：变压器;Simulation;受力分析;优化设计Keywords：transformer;Simulation;loadinganalysis;

4、optimaldesign中图分类号：TM41文献标识码：A文章编号：1006-4311（2015）04-0042-020引言变压器结构设计的任务在于选定结构型式，保证油箱等各组件具有足够的绝缘强度和机械强度。在传统的变压器油箱吊轴的设计中，往往都是根据现实经验，缺乏一定的理论支持，致使产品设计存在缺陷[1]。本文利用Solidworks软件的三维造型功能和Simulation有限元分析功能，模拟油箱吊轴加载后的应力和变形，为结构设计提供依据，并对其结构进行了优化，以期提高设计研发效率。1吊轴的设计及建模吊轴是变压器油箱的重要部

5、件，起吊时承受变压器的总重量，必须具有可靠的设计依据及安全系数，吊轴主要由无缝钢管构成，初选？准133×20无缝钢管，端部焊接盲堵板，径向焊有四根加强筋，如图1所示。1.1前置处理吊轴的主要物理特性参数：密度ρ=7.86kg/m3，弹性模量E=212GPa，泊松比μ=0.288，屈服强度σ=235MPa，抗拉强度=380MPa～420MPa。5变压器总重量约有25000kg，行车起吊加速度a=v/t=0.021m/s2，起吊时吊轴受到的冲击力Go=G+ma=250525N，吊轴对称分布在油箱纵轴和横轴方向的重心两侧，因此单个吊轴

6、受力约为62630N。吊轴模型的建立以网格精度适度小为目标，划分的网格能在有限元分析后，得到满足工程设计精度的数据，如应力、位移等。添加载荷和约束，如图2所示。1.2求解分析对模型进行有限元求解后，显示吊轴的最大应力、最大位移、最大应变图，如图3所示。最大应力64MPa，安全系数为3.7，应力最集中的地方和应变最大的地方都在无缝钢管与加强筋焊接的位置，在实际的焊接中要求焊接牢固;最大位移量0.02mm，位置接近盲堵板处，这就要求无缝钢管相对长度不能太长。可看出该吊轴安全裕度较大，需对吊轴进行优化。1.3优化下面对其进行结构优化。

7、首先建立优化的数学模型，包括设计变量、目标和约束，根据吊轴的具体结构，建立优化模型如下[2]：求d、δ使M=m→mins.t.σ？燮σmaxδmin？燮δ？燮δmaxdmin？燮d？燮dmax式中：d、δ―设计变量;M―吊轴总质量;σmax―许用应力上限;N―被约束单元总数;5i―被约束节点总数。设计变量分别取无缝钢管的外径d、壁度δ，取值范围分别为：80m？燮d？燮120mm、10mm？燮δ？燮20mm，目标函数为使吊轴的质量达到最小。约束条件取应力约束为σ？燮115MPa，即安全系数>2，经过27次迭代后收敛，最终优化结果如

8、表1所示。由表1看出，优化后吊轴尺寸明显减小，质量减少55%。对照无缝钢管规格尺寸表选用与优化值尺寸接近的标准规格：？准102mm×9mm无缝钢管。2结论①在仿真分析的基础上，优化设计后的吊轴材料消耗降低55%，其强度和刚度完全能够承受总重量25000kg及以下