為了保證機車高速運行的穩定性，同時盡量節省空間，減小重量，機車變壓器大多采用車底吊掛方式安裝，而且內部結構緊湊，這就要求變壓器油箱應具有足夠的機械強度。因此我們在設計過程中采用了ANSYS軟件對變壓器油箱的機械強度進行了有限元計算，以驗證結構的可靠性，并且根據計算結果對產品結構做了適當的調整，從而為變壓器油箱的結構提供了依據并優化了結構，提高了產品的可靠性。保證其在滿足強度的同時達到小型化、輕量化?，F以“中華之星”高速機車變壓器為例，對此計算方法做詳細的介紹。

　　1理論依據ANSYS軟件主要是采用有限元計算方法，有限元法是適應于使用電子計算機而發展起來的一種新穎和有效的數值計算方法。這種算法的特點是由整體到分塊，再從分塊組集成整體，采用分塊近似插值函數去逼近整體連續函數，可使連續體力學問題得到整體離散逼近、分塊連續的近似數值解，得到較精確的計算結果。

　　由于牽引變壓器為空間薄壁結構，根據薄板彎曲理論，薄板的變形和應力狀態，完全由板中面的撓度《（x，y）所決定。所以，撓度計算公式應為：w= 5e單元的節點位移陣列。

　　應變計算公式為：單元應變矩陣。

　　應力計算公式為：單元內任點應力列陣；一材料的彈性矩陣；單元的初應變列陣。

　　2軟件介紹本次計算采用的是ANSYS有限元分析軟件包。ANSYS軟件是融結構、熱、流體、電磁、聲學為一體的大型通用有限元分析軟件。該軟件擁有豐富和完善的單元枯、材料模型庫和求解器，保證它能夠高效地求解各類工程問題，如：結構靜力、動力、線性和非線性問題、電磁場問題、流體問題和熱傳導問題等。

　　利用ANSYS軟件進行有限元分析的流程為：建立模型、劃分網格、施加載荷和約束、問題求解、結果后處理。

　　3結構簡介容器，具有容納器身，充變壓器油以及散熱的作用，還兼做變壓器附屬裝置的支撐，是復雜的空間薄板結構。箱體全長為2 462mm，箱體寬1642mm，箱體高為899mm.其中箱蓋和箱底的厚度均為8mm的16Mn鋼板組成；四周的加強筋板為10X50mm，吊座加強板為10mm，油栗加強板為12mm，吊座為20mm，箱壁為6mm，其材料均為1Cr18Ni9Ti不銹鋼板。箱蓋上加強用的槽鋼為5mm厚，端子法蘭框為5mm厚，箱壁表1計算結果表上所用的油道厚為3mm，材料也均為1Cr18Ni9Ti不銹鋼板。油箱內變壓器與電抗器隔板為10mm厚鋁板。因此采用四邊形線性板殼單元進行有限元計算。

　　計算模型將油箱的箱底、箱壁、箱蓋及各種加強筋板均處理為板單元。

　　4有限元模型的建立因為結構及載荷的不對稱性成分較大，所以采用整體進行計算。依據結構及力學特點，采用了板單元、梁單元，箱壁及其上所焊構件均采用了板殼單元（SHELL63）進行計算，箱蓋與箱體所用拉螺桿定義為梁單元（BEAM4）。共將結構劃分為12 072個節點，12209個板單元，5個梁單元，共為12214個單元。

　　5邊界條件由于變壓器油箱是由四組螺栓通過固定板固定到車體上的，以箱底左上角為坐標原點，縱向為X軸、橫向為Y軸、鉛垂向下為Z軸正向，因此對于各種工況，在螺栓固定處施加約束，使其在各個方向的位移均為0. 6載荷計算電壓等級的三相電力變壓器技術要求參數規定了000kVA以上的電力變壓器機械強度試驗真空正壓為50kPa，正壓為58. 8kPa.但在實際運行時，機車變壓器還承受縱向5g加速度，橫向3g加速度。而且機車變壓器還要求體積小重量輕。結合以上情況，我們共選擇了2種載荷工況對油箱結構設計方案進行了結構強度計算，這2種載荷工況為：自重（包括油箱重量、變壓器器身、電抗器、變壓器油及其他附件的重量，以下同）和垂直方向1g的加速度。

　　其中：變壓器自身重4電抗器組及供電電抗器重1變壓器油重2 1g的加速度。

　　計算過程中選取鋼材的彈性模量為2.泊松比為0.3，材料密度為7.8kg/m3；鋁板的彈性模量為0.695x105MPa，泊松比為0. 3，材料密度為2.65 kg/m3.整體網格剖分采用自由剖分，局部采用手工剖分，網格形式為四邊形板元，以保證計算的精確性。

　　7計算結果分析由于機車牽引變壓器在普通電力變壓器的基礎上又進一步要求小型化、輕量化，即大容量小體積。同時還要承受縱向5g，橫向3g的加速度，而油箱的失效主要是在抽真空（或正壓）過程中局部平板翹曲引起的，因而?？梢曰謴妥冃尾⒗^續運行。很少發現由此引起整個油箱屈曲失穩，導致整個變壓器失效報廢的。一般結構油箱均可簡化成板梁組合的結構，即在平面殼體外側用各種截面的梁縱橫加強。造成油箱局部失穩的主要原因是：（1）油箱整體剛度不足；（2）周圍的加強筋剛度不足；（3）鋼板本身的抗彎剛度不足；（4）加強筋與箱體的焊線機械強度不夠。

　　油箱結構設計的安全可靠標準主要是控制變形。

　　變形過大不僅易引起鋼板的局部失穩，而且會導致局部裂紋或箱沿密封泄露。因此，我們在計算結果中主要觀察的是油箱的變形。

　　通過對計算結果中油箱的應力變形云圖和位移變形云圖的觀察，在第一種工況中，對于變壓器整體來說，變形量比較大的地方發生在箱底，變形量為1.9mm.應力比較大值為204MPa，出現在箱壁與主變安裝座焊接點處，因此屬應力集中點。

　　由于第二種工況為極端惡劣工況，應力集中點較多，且其值較大，所以只觀察其位移變形云圖，此工況比較大變形量為9.3mm，出現在箱底中心。部分應力集中處的應力值雖然相對較大，但由于模型與實際工況有一定區別，所以忽略其值。本工況應力比較大值發生在箱底與箱蓋連接的拉螺桿處，比較大值為287MPa.在兩種工況中，第二種工況變壓器整體位移變形量比較大，比較大變形量為9.3mm，箱蓋比較大變形量為6.9mm，從結果分析，1Cr18Ni9Ti不銹鋼的許用應力為220MPa，而比較大應力值為287MPa，大于其許用應力，但小于其屈服應力345MPa，并且由于比較大值發生在應力集中處，其值比實際值偏大。因此證明結構滿足強度要求。由于箱底、箱蓋、箱壁的比較大位移均滿足試驗要求，在打壓工況下不至于出現不可恢復的變形，所以結構在剛度方面也滿足要求。

　　第二種工況中油箱各壁比較大位移的計算結構與油箱機械強度試驗記錄比較見表1：8結束語通過比較計算結果和試驗結果，發現計算結果比打壓試驗結果要大。但總體誤差仍在允許范圍（±101）之內。因此證明ANSYS軟件做出的有限元計算結果基本符合實際情況，完全適合于機車變壓器油箱的結構設計。而且在產品開發設計過程中，有助于新產品、新結構的檢驗，并能夠幫助設計人員及時發現產品中的缺陷，對產品做進一步的改進，提高產品的可靠性、經濟性、合理性，從而增強企業對市場的應變能力和競爭能力。