ANSYS仿真分析（精选十篇）
ANSYS仿真分析 篇1
松花江大桥全长2324.92m, 其中主桥长595m, 引桥长1729.92m, 桥梁跨径布置为2×40m+3×40m+4×40m (南引桥) +90.5m+3×138m+90.5m (主桥) +4×40m+10× (3×40m) (北引桥) 。主桥采用五孔一联的预应力混凝土连续梁结构, 引桥采用预应力混凝土简支T梁结构, 全桥位于直线段上。
箱梁横断面为单箱单室矩形断面, 主跨墩顶高度为7.7m, 跨中高度为3m, 其余梁高在纵向按1.65次抛物线变化, 曲线长度61m。在墩顶、跨中设置横隔板。跨中横断面如图1, 墩支座处横断面如图2。
2 计算原理
箱梁是闭口薄壁结构, 其长度远大于横截面尺寸, 且壁厚又远小于截面宽度或高度。因箱梁具有优良受力性能, 故在桥梁工程中得到广泛应用, 但箱梁在偏心荷载作用下, 将产生扭矩。此扭矩可分解为刚性扭转和畸变力, 刚性扭转和畸变是两种变形形态。刚性扭转引起约束扭转正应力、约束扭转剪应力;截面畸变产生畸变翘曲应力和框架横向弯曲应力。由于箱梁受力复杂, 其研究方法亦多种多样, 概括起来可分为解析法和数值法两大类[1,2,3]。
2.1 解析法
箱梁是一个复杂的空间受力体系, 计算相当复杂, 为简化分析, 在解析法中, 通常进行一些必要的假设。将作用于箱梁上的偏心荷载分解成对称荷载与反对称荷载。在反对称荷载作用下, 按薄壁杆件理论求解;在对称荷载作用下, 按梁弯曲理论求解, 然后将二者的结果叠加即为偏心荷载作用下总的荷载效应。
2.2 数值法
其中有由解析法发展而来的有限元法, 或称刚度法;也有按有限元基本理论推导而得的数值方法;利用成熟的板壳有限元分析软件对箱梁进行分析也是实际工程中常用的方法。另外, 有限元法、有限杆单元法也是箱梁分析中常用的数值方法。
箱梁畸变时, 产生畸变横向挠曲和畸变翘曲两种变形, 为了结构分析的简便, 将箱梁两种畸变形分开考虑, 具体见图3。
(1) 设单位长度梁段的角点反对称荷载为PV, 由它产生的畸变荷载腹板分力为Vd, ;畸变荷载水平分力为Hd,
(2) 畸变角近似等于;式中, b为截面中线宽度;h为截面中线高度。
(3) 畸变角微分方程
为箱梁的畸变翘曲刚度;称EIR为箱梁的横向框架刚度。式中, γ (z) 为截面的畸变角;Vd为畸变荷载的垂直分量;b为箱梁横截面的中线宽度。
(4) 箱梁畸变翘曲系数
;当为斜腹板时, ;当为直腹板时, 。腹板长度
(5) 箱梁畸变正应力
为该点的畸变翘曲率;为截面的畸变惯性矩;BDW为截面的畸变双力矩。
(6) 箱梁畸变剪应力
;式中, Ω为箱壁中线所围面积的2倍;B′DW为畸变剪力;t为箱梁壁厚。
3 结构有限元计算[4,5]
3.1 单元类型的选取
全桥统一采用SHELL63空间板壳单元进行模拟, SHELL63单元是通过输入四个节点的厚度、弹性支座刚度和正交各向异性的材料性质来定义的。正交各向异性材料方向与单元坐标系方向相对应, 单元的x方向可以旋转θ角度。
3.2 建模、单元的划分及约束和荷载的施加
建模时考虑了箱梁的腹板、顶板及底板厚度沿纵向的变化, 将全桥离散为106386个单元, 106530个节点, 对各跨支承处腹板底缘的节点施加约束, 使其满足连续梁的受力特征。
取151断面 (第四跨跨中) 为研究断面, 第四跨跨中未设置横隔板, 求解其扭转畸变与翘曲应力。
车道荷载是一种活载, 两列车以第二跨或第四跨跨中为最不利位置。荷载工况如下:
(1) 以151断面为最不利断面进行两列公路———I级汽车荷载中心加载;
(2) 以151断面为最不利断面进行两列公路———I级汽车荷载偏心加载。
按设定的荷载工况对结构施加荷载, 施加的约束示意见图4。断面纵向布置如图5, 151断面扭转畸变测试点如图6。
3.3 仿真结果分析
同一荷载当偏心与中心作用时, 某点纵向应力之差即为该点因扭转畸变引起的正应力。解析法是将扭转、畸变分开考虑, 这样分析会不可避免地出现误差, 因为扭转与畸变事实上互相耦合的。在进行ANSYS分析时, 考虑二者的耦合作用, 将扭转和畸变作为一项指标进行处理, 使计算结果更加接近实际的受力情况。工况1、2作用下151断面各测点的扭转畸变翘曲应力计算值表见表1。
从表1得出, 扭转畸变产生的纵向正应力的ANSYS计算值与相应测点的弯曲正应力计算比值的最大值为16.7%。箱梁扭转畸变正应力占活载弯曲正应力的比例较大, 设计中要予以重视。本文以哈尔滨松花江大桥为研究对象, 采用ANSYS对模型进行计算, 分析桥梁荷载、横隔板厚度及数量对扭转畸变翘曲正应力的影响。
10-3MPa
3.3.1 均布荷载对畸变效应的影响
在模型第二跨的两腹板顶面施加均布反对称荷载, 荷载集度为105N/m, 中墩支座处横隔板的厚度为2m, 边墩支座处横隔板厚度为1.5m, 中间横隔板的厚度为0.4m。为避免应力集中, 不考虑横隔板中间的开孔。保持荷载集度与横隔板厚度不变, 不断增加横隔板的数量, 考察各截面扭转畸变翘曲正应力的变化规律。中间横隔板设置在箱梁分点位置上。
计算各种横隔板情况下各截面的扭转畸变应力, 做出第二跨横断面上右上角点的扭转畸变正应力沿该跨方向的分布规律, 如图7~图9所示。
图7~图9表明在均布荷载作用下, 变截面连续箱梁中间不设横隔板时, 跨中截面的扭转畸变正应力最大;在跨中截面设置横隔板后, 横隔板截面处扭转畸变应力会发生突变, 从0.17MPa减小到-0.1137MPa, 绝对值减小了33.1%, 减小幅度较大, 并且跨中设置横隔板对距横隔板0.1l范围内各截面的畸变效应有较好的约束作用, 而对距离横隔板较远的截面, 横隔板对畸变效应的限制作用则很小, 说明横隔板仅能在一定的距离范围内发挥作用。
图7~图9表明, 中间均布3道、5道横隔板, 即在第4分点、第6分点截面设置横隔板后, 第4分点、第6分点截面附近的扭转畸变应力有所减小, 但减小幅度比跨中横隔板的减小幅度要小一些。
3.3.2 集中荷载对畸变效应的影响
在模型的第三跨跨中截面作用一偏心集中荷载, 荷载作用在腹板与顶板交点处, 大小为104N。横隔板厚度与均布荷载作用时一样, 保持荷载与横隔板厚度不变, 不断增加横隔板数量, 考察各截面扭转畸变正应力的变化规律, 横隔板设置在箱梁分点的位置上。第三跨横断面上右上角点的扭转畸变正应力沿该跨方向的分布规律, 如图10~图12所示。
由图10知, 变截面连续箱梁在集中荷载作用下, 当跨中不设横隔板时, 跨中集中荷载作用处的畸变正应力最大, 应力分布在集中荷载处有突变。在跨中截面设置横隔板后, 跨中截面的畸变效应减小到最小, 从未设横隔板时的1537.2Pa减小到设置横隔板后的11.4Pa, 减小了近99%。可以认为该截面的畸变效应已经被完全约束, 所产生的应力只是由刚性扭转引起的。跨中设置横隔板能对距跨中0.1l范围内的畸变应力有较好的约束作用, 对距跨中较远截面的约束作用则很小, 说明横隔板仅能在一定的范围内发挥作用, 这与均布荷载作用时的结论是一致的。
图11和图12表明, 设置跨中横隔板后, 继续在第4分点、第6分点截面设置横隔板, 能对第4分点、第6分点附近截面的畸变应力有所限制, 但限制的幅度没有跨中那么明显。大跨变截面连续箱梁在各跨跨中设置横隔板是很有必要的, 它能很大程度的减小跨中截面附近的畸变应力;而是否在第4分点、第6分点截面设置横隔板, 要根据实际情况计算确定。
在60 m截面处, 即使中间设置了5道横隔板后, 截面扭转畸变正应力仍较大, 说明横隔板能有效减小各截面的畸变应力, 但仍应考虑截面的扭转畸变效应, 即使在各跨中间设置较多横隔板, 某些截面的畸变应力仍没有达到可以忽略的程度。在分析大跨变截面连续箱梁在偏心荷载下的内力时, 不能忽略畸变效应的影响。
3.3.3 横隔板厚度对畸变的影响
以中间设三道横隔板为例, 作用均布荷载情况下, 在不同横隔板厚度时, 各截面的扭转畸变正应力沿荷载跨的分布规律如图13和图14所示。由图13和图14看出, 在保证横隔板具有一定刚度的前提下, 横隔板厚度变化对畸变效应的影响很小。
4结论
(1) 扭转畸变翘曲正应力占活载弯曲正应力的比值较大, 设计中应予以考虑。
(2) 横隔板可显著减小大跨变截面连续箱梁在偏心荷载作用下的畸变效应。跨中设置横隔板对畸变效应的限制幅度大于在其它截面设置横隔板对畸变效应的限制幅度, 故大跨变截面连续箱梁应在跨中设置横隔板。应根据实际情况确定是否应在第4分点、第6分点截面设置横隔板。
(3) 横隔板仅能在一定的距离范围内发挥作用。横隔板对距横隔板0.1l范围内各截面的畸变效应有较好的约束作用, 而对距离横隔板较远的截面, 横隔板对畸变效应的限制作用则很小。
(4) 集中荷载作用下的扭转畸变正应力较大, 且应力分布在集中荷载处有突变, 将横隔板设在集中荷载作用位置, 能将该处的畸变效应减小到最小;但它对距横隔板较远截面畸变效应的约束作用较弱。
(5) 变截面连续箱梁在保证横隔板具有一定刚度的前提下, 中间横隔板厚度的变化对畸变效应的影响较小。
参考文献
[1]黄剑源.薄壁结构的扭转分析 (上) [M].北京:中国铁道出版社, 1983:120-141.
[2]包世华, 周坚.薄壁杆件结构力学[M].北京:中国建筑工业出版社, 2006.93-112.
[3]倪元增, 钱寅泉.弹性薄壁梁桥分析[M].北京:人民交通出版社, 2000:57-75.
[4]李国豪.桥梁与结构理论计算[M].上海:上海科学技术文献出版社, 1983:113-137.
ANSYS仿真模拟在教学中的应用 篇2
ANSYS仿真模拟在教学中的应用
通过热一结构实例来分析ANSYS在教学中的应用对教学效果的`改善.ANSYS仿真软件可以应用到多种学科教学中,使抽象的理论转变成直观的图形显示,而且可以进行动画演示.
作 者：种法力 CHONG Li-fa 作者单位：徐州工程学院,数理学院,江苏,徐州,221008刊 名：宁波大学学报(教育科学版)英文刊名：JOURNAL OF NINGBO UNIVERSITY(EDUCATIONAL SCIENCE EDITION)年，卷(期)：31(5)分类号：G434关键词：ANSYS 仿真模拟 教学
ANSYS仿真分析 篇3
2015年11月18日，ANSYS 2015汽车仿真全球大会中国分会场以及电子仿真大会同时在上海召开.会上，ANSYS中国大客户销售总监宣雄文先生和中国汽车工程学会副秘书长闫建来先生首先致欢迎词.中国汽车工程研究院副院长周舟博士首先以"面向《中国制造2025》的汽车数字化开发思考"为题作大会特邀报告.之后，ANSYS中国技术经理丁海强先生、ANSYS全球高科技行业技术总监Sudhir Sharma和ANSYS支持及服务资深技术专家Ashok Khondge等就ANSYS最新电子设计技术和路线图、物联网工程仿真、汽车仿真新技术和发展方向等主题作了精彩的主旨报告.大会分为高科技、汽车电子和汽车本体等3个分会场，内容涉及芯片封装联合仿真，ANSYS智能可穿戴设计，自动驾驶车辆雷达仿真，内燃机多物理场、多学科优化设计等，其中部分报告已在ANSYS网站公开，网址http：//www.ansys.com/zh_cn/aswc/2015.
周舟博士的特邀报告尤为瞩目.《中国制造2025》首次将"节能与新能源汽车"列入十大重点发展领域，明确指出节能汽车、新能源汽车和智能互联网汽车是今后的重要发展方向.《中国制造2025》对2025年整体乘用车、商用车新车的油耗提出明确的规定：乘用车油耗5年后降至每百公里5 L，10年后降至每百公里4 L，与现在普遍的乘用车油耗标准相比，油耗需下降约40%～50%.针对这一目标，我国节能汽车研发重点工作将涉及整车轻量化、低滚阻轮胎、高效发动机、高效变速箱、节能空调、制动能量回收等技术.这个目标对我国自主品牌汽车的研发带来巨大压力，因此今后国内主机厂大力发展新能源汽车是大势所趋.新能源汽车包括纯电动汽车、插电混合动力汽车以及燃料电池汽车等.对于新能源汽车，产业化取得重大进展是重要目标.2015年，我国新能源汽车在政策刺激下产量和销量都得到快速发展，这无疑是新能源汽车产业发展的良好开端.但是，产业发展仅仅受政策驱动是不够的，最重要的是靠市场驱动发展.不同于传统汽车，由于起步相对较早，我国新能源汽车的研发与国际先进水平差距不大.目前，各国新能源汽车的发展方向不同，就我国的实际情况来看，纯电动汽车和插电混合动力汽车可能是比较重要的发展方向.发展新能源汽车涉及的新技术主要包括专用底盘性能仿真、开放式绕组电机OPPeD仿真、动力系统安全控制及节能策略仿真、整车能力管理控制及安全控制等.周舟博士对节能汽车、新能源汽车数字化研发提出几点思考，包括：仿真设计前置、多物理场协同、流程自动化、数据库构建、云技术的运用等.
本次会议得到中国汽车工程学会的大力支持，近300位代表参会.
ANSYS仿真分析 篇4
1基于ANSYS软件开发桥梁结构施工仿真分析程序
本文基于前面介绍的一种ANSYS[1,2,3,4,5,6]二次开发工具——APDL语言, 编写了一套大跨径桥梁结构施工分析程序。该程序能较真实地模拟大跨径桥梁结构施工的全过程, 给出各个施工阶段的应力、位移和内力值。在开发程序的过程中, 有一些需要解决和注意的关键问题。下面对这些问题作简要介绍, 并给出了相应的解决方案。
1.1 单元类型的选取[1,2,7]
采用ANSYS软件进行桥梁结构施工过程分析时, 宜按以下原则来选取单元:1) 选取的单元必须最大程度地模拟结构的受力性能;2) 必须保证计算结果具有足够的精度;3) 有限元模型建立要尽量简便, 计算工作量要尽量小, 进行结果处理时也要比较方便。因此, 本文在某特大桥施工过程分析中主要采用了以下4种单元类型:空间梁单元Beam44、空间杆单元Link8、壳单元Shell63和弹簧单元Combin14。
1.2 预应力钢筋的处理
在混凝土桥梁中, 预应力技术应用广泛, 预应力钢筋对保证整个桥梁结构的安全起着极为重要的作用。能否合理模拟预应力已成为施工模拟程序成功与否的关键。ANSYS中对预应力的模拟方法很多, 本文着重介绍整体式方法。
将混凝土和力筋划分为不同的单元一起考虑而模拟预应力又可以分为降温方法和初应变方法。主要缺点是建模不便, 尤其是当力筋较多且有曲线布筋时 (可以采用APDL解决) ;其优点也是很明显的:1) 力筋的具体位置一定, 对结构的影响可以全面考虑;2) 力筋对混凝土的作用近似的得到考虑 (在节点处) ;3) 可以模拟张拉不同的力筋, 以优化张拉顺序;4) 不管何种荷载, 都是力筋和混凝土共同承担, 可以得到力筋在任何荷载下的应力;5) 可以模拟预应力损失的影响。混凝土和力筋单元的连接可以采用节点耦合的方法, 该方法简单、实用。综上所述, 对于大型复杂桥梁结构预应力钢筋的模拟宜采用降温方法或初应变方法。
1.3 施工过程的模拟分析方法[3,6,8,9]
大跨度桥梁结构的施工工序复杂, 全桥刚度是分阶段逐步形成的, 桥梁结构的最终形成, 必须经历一个漫长而又复杂的施工过程以及结构体系转化过程, 结构体系和荷载随施工而不断变化, 结构分析的单元与节点数目也比较多, 为此, 本文将“单元生死技术”引入到大跨径桥梁结构施工过程的模拟分析中, 只需进行一次分析模型的建立, 即在分析前一次性将成桥状态的全桥分析模型建立好, 然后根据各个阶段的施工状况通过激活或杀死单元以及设置相应的荷载步来模拟桥梁施工全过程。通过引入“单元生死”技术, 使得该桥的施工仿真分析过程大大简化, 处理结果也比较方便。本文基于ANSYS单元生死功能和参数设计语言 (APDL) 编制程序功能, 将上述思想应用到该特大桥的施工过程结构分析中。
1.4 结构的非线性问题
结构非线性问题, 通常分为两大类, 即材料非线性问题和几何非线性问题。在该大跨径桥梁结构施工过程中, 结构的材料一般都处于弹性范围之内, 施工仿真分析时, 该桥的非线性影响主要由几何非线性引起, 材料非线性的影响一般可以不考虑[10]。因此本文也仅考虑几何非线性对结构的影响。
2工程实例分析
2.1 工程概况
某特大桥全长约1 341 m, 其中主桥长度640 m, 为120 m+400 m+120 m的斜拉钢管混凝土拱桥, 该桥主桥由塔、斜拉索、钢管混凝土拱、吊杆、系杆、钢—混结构桥面系、预应力混凝土边跨箱梁等组成多体系组合结构。桥面全宽27 m, 设双向2%横坡, 主跨桥面系采用悬吊体系, 由钢横梁、钢纵梁和混凝土桥面板组成。混凝土索塔为花瓶形, 顺桥向为独柱, 横桥向为双柱花瓶形, 塔上设三道横梁。主拱采用中承式双肋无铰月牙式平行拱, 计算跨径388 m, 拱轴线在竖直面上的投影为七次抛物线。边拱为双肋上承式钢筋混凝土箱形半拱, 形成“飞燕”构图, 计算跨度62.0 m。斜拉索采用ϕj15.7镀锌涂油外包PE钢绞线, HDPE外套, 两端采用FREYSSINET HD2000FPB锚具, 斜拉索的布置采用空间扇形, 每塔10对斜拉索。主桥共设16根49束ϕj15.7钢绞线系杆, 每个拱肋8根, 按两排4根布置。
2.2 空间有限元模型
结构混凝土主梁、主拱等离散为Beam44单元, 斜拉索、系杆、吊杆离散为Link8单元, 主拱间缀板离散为Shell63壳, 采用Combin14单元模拟桩和土效应, 采用大型通用有限元软件ANSYS建立了该桥有限元模型, 如图1所示。空间有限元模型单元数为14 653, 节点数为8 301。
2.3 仿真计算与分析
2.3.1 全桥施工阶段划分
整个仿真计算根据设计图纸共分为36个计算阶段, 列举几个典型的施工阶段有限元图形如图2～图5所示。
2.3.2 使用阶段计算及其结果分析
根据桥梁规范, 结合本工程实例, 确定荷载组合为结构自重+二恒荷载+预应力+汽车荷载+人群荷载。汽车活载为公路Ⅰ级荷载, 按6车道考虑, 车道折减系数0.55, 纵向折减系数0.97, 人行道荷载集度4 kN/m2。另外近似考虑了结构整体升温降温、混凝土收缩徐变等荷载作用, 进行了偏载工况、更换斜拉索和结构敏感性等多种工况分析。
限于篇幅, 这里不再列出各施工阶段和使用阶段各工况的应力、内力、位移结果, 详细结果数据及分析结论参见计算研究报告。
3结语
通过本文的介绍和工程实例显示可以看出, 利用ANSYS提供的二次开发工具 (APDL语言) 进行大跨桥梁结构静力问题的求解是完全可行的, 也是有效的。掌握和运用好这一工具对我们进行桥梁结构计算分析就显得方便快捷, 尤其是对大型复杂桥梁结构的施工过程仿真分析就更为实用。
摘要：介绍了ANSYS软件的基本功能及其前后处理、求解器和相应的二次开发工具, 讨论了基于ANSYS软件的APDL语言程序开发大跨径桥梁结构施工仿真程序中值得注意的一些问题, 最后对某特大桥进行了施工仿真分析。
关键词：大跨径桥梁结构,施工仿真分析,二次开发,ANSYS
参考文献
[1]美国ANSYS公司.ANSYS APDL Programmer’s Guide, 1994.
[2]美国ANSYS公司.Theory Release5.7, 1998.
[3]博嘉科技.有限元分析软件——ANSYS融会与贯通[M].北京:中国水利水电出版社, 2002.
[4]龚曙光, 谢桂兰.ANSYS操作命令与参数化编程[M].北京:机械工业出版社, 2004.
[5]张亚欧, 谷志飞, 宋勇.ANSYS7.0有限元分析实用教程[M].北京:清华大学出版社, 2004.
[6]祝效华, 余志详.ANSYS高级工程有限元分析范例精选[M].北京:电子工业出版社, 2004.
[7]张宏斌.钢管混凝土拱桥空间建模技术及其动力特性分析[A].//ANSYS CHINA 2006用户年会论文集[C].2006.
[8]裘伯永, 盛兴旺, 乔建东, 等.桥梁工程[M].北京:中国铁道出版社, 1997.
[9]肖汝城.桥梁结构分析及程序系统[M].北京:人民交通出版社, 2002.
分析ANSYS的齿轮结构静力 篇5
摘要：本文基于强度分析的原理，利用三维建模软件SOLIDWORKS建立好齿轮模型，然后转换格式利用Pro/E和ANSYS接口，将齿轮模型导入到ANSYS中，从而在一定的载荷和约束作用下对齿轮进行强度分析。强度分析有动态分析和静态分析两种，本文只进行静态分析，分析齿轮的应力应变集中的地方是否合理，并从分析所得到的数据中研究其最大应力是否满足要求，从而完成对齿轮的结构静力分析。
关键词：强度分析 ANSYS 有限元分析 齿轮结构
1、前言
齿轮机构可以用来传递任意两轴之间的运动，其传递准确可靠，效率很高，而且齿轮机构是传统和现代机械中应用最为广泛的一种传动机构[1]。在各种零件失效的形式中，齿轮也是最容易出现失效的常见零件之一。而且零件的结构强度分析关系到所设计的机器能否正常工作并达到一定的使用要求，因此对齿轮的强度进行分析是很有必要的。强度分析的目的主要是分析零件的结构强度是否满足要求，分析所用的数据或图表的来源既可以是一些经验公式分析后得到的，也可以是从一些相关的强度分析软件中得到。一般的齿轮都是渐开线齿廓，可以利用相关的软件进行建模，如本文采用了美国参数技术公司开发的建模软件Pro/E进行齿轮建模，然后再导入ANSYS进行强度分析。
2、有限元模型的建立
2.1 几何模型的建立
齿轮的基本参数齿轮：模数m=2.5mm，齿数z=33，压力角α=25°，为正常齿制的齿轮，h*a=1，c*=0.25，齿宽b=94mm。
为了更加简便的建模，首先使用SOLIDWORKS软件将齿轮的三维实模型建立好。而且由于是结构静力分析，载荷往往只在一个齿上，为了使分析效率有所提高，又可以节约计算机的分析时间，根据圣维南原理，可将模型进行一定的简化。如图2-1所示。
2.2 模型的导入
2.2.1ANSYS简介
伴随有限元方法理论的发展，为了更好的使用有限元方法理论进行工程问题的分析求解，一些大型软件应运而生，其中就包括了ANSYS。ANSYSA是运用最为广泛的有限元分析软件之一，可以对分析对象进行动态、静态和热传导等分析。它还可以通过对分析对象输入相关属性、添加约束以及载荷后，可以由其相关的后处理模块进行应力、应变和温度等分析，进而得到相关的结果。
2.2.2模型的导入
齿轮其他的基本参数：齿轮的扭矩为T=325.320N·m，齿轮材料为40Cr[2]，密度为7.8×103kg/m3，弹性模量为211GPa，泊松比为0.277。
由于ANSYS存在有与Pro/E的接口，故可以把SOLIDWORKS建立好的模型另存为“prt”格式，再将模型导入ANSYS里面，进而就可以利用ANSYS进行有限元分析了。
2.3划分网格
为了对齿轮进行比较精确的结构静力分析，取简化后的模型为研究对象，考虑到一些实际的因素，如齿轮的齿形、齿轮的精度等，选用“solid95”型为有限元的网格单元。“solid95”是一种空间实体单元，适合曲线边界建模，且具备许多功能。采用“扫略”这种操作方式进行网格划分，网格的划分越精细，其结果也越精确，导入和划分后的图形如图2-2所示。
3、求解及后处理
对齿轮进行结构静力分析，约束主要是施加对圆柱孔面的约束以及一个齿面的约束。对齿轮施加的载荷为施加在圆柱孔面上的扭矩。这样经过施加约束和载荷后就可以用ANSYS的后处理来进行结构分析了。本文对齿面进行的.是静态分析，因此选择通用的后处理对结果进行分析。通过求解理后可得到齿轮等效应力云图，如图2-3所示。
4、结果分析
采用通用后处理操作方式对求解的结果进行处理，通过彩色云图显示应力、应变的分布，以不同的颜色表示不同的应力值，这样之后使得齿轮的内部应力应变分布情况一目了然。从应力云图可知，齿轮的齿根部分出现了最大的应力，其最大的应力为522.962Mpa。齿根也是齿轮发生应力集中的主要部位，有极大的可能出现疲劳断裂的现象。一般的渐开线齿轮最容易出现的失效形式之一是断裂，它发生的位置也是在齿根部位，因此从这个结果上看，与实际工作的情况相吻合。
5、结束语
本文通过Pro/E和ANSYS接口技术，对工程实际中的齿轮在一定的载荷和约束条件下进行有限元分析，得到相关强度分析的数据，研究得到结论与实际相符。本文为齿轮静力分析提供了宝贵的理论依据，具有重要的实际意义。
参考文献：
[1]谢进，万朝艳，杜力杰.机械原理[M].北京：高等教育出版社，.
[2]邱宣怀.机械设计[M].北京：高等教育出版社，.
[3]戴进，钟定铭.基于齿轮加工原理的精确建模及ANSYS有限元分析[J].机电工程技术，，37(04)：77-79.
[4]宋剑锋.ANSYS有限元分析[M].北京：中国铁道出版社，.
ANSYS仿真分析 篇6
关键词：农业机械；挤奶机器人；机械臂；有限元法；仿真；ANSYS
中图分类号：S818.5；S823 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2015）06-0025-04
挤奶自动化程度高低已成为衡量现代规模化奶牛场发展水平的重要考量指标。国内全自动挤奶设备的设计生产水平较国外有很大差距。本研究充分吸收国外先进技术，并以中国荷斯坦奶牛的体高、体长、体宽、乳房位置和乳头分布等体貌特征作为挤奶机械臂的设计依据，设计出满足国内奶牛体征的自动化挤奶机器人（如图1所示）。
该挤奶机器人的运动主要是靠机械臂的整体横移及伸展收缩来实现的。这几个自由度的运动会产生多方向的运动载荷，并产生对机组系统的多路随机激励作用。当机械臂在气缸驱动下处于提升状态时，机械臂自身质量及托盘质量就会以力载荷的形式作用于机械臂自身及横移支架上，机械臂在横移运动过程中会对滑道产生作用载荷。
要保证机械结构的正常安全工作，必须满足设计要求的强度和刚度性能。为此，本研究利用有限元分析软件ANSYS，对挤奶机器人关键部件进行结构强度校核，进而为合理设计其机械结构提供有力保证。
1 机械臂有限元静力学分析
在工作状态和非工作状态下，挤奶机器人的受力状态不同，需要对两种状态下的装备进行有限元分析。
1.1 不锈钢支架结构有限元静力分析
通过有限元分析软件ANSYS对不锈钢支架进行静力学分析，查看其受力状态和应力分布，确定其最大应力。有限元分析的步骤主要包括前处理、求解计算和后处理。前处理过程包括创建模型或由外部三维软件建模后导入，定义材料属性和划分网格等前期工作；求解计算环节主要是确定分析类型、施加载荷和约束等步骤；后处理过程设定求解（结果）参数，观察求解结果。具体过程如下。
1） 利用Solidworks三维建模软件完成装配体模型后，通过ANSYS软件与Solidworks接口，将待分析结构的SW文件导入ANSYS中。
2） 给模型添加材料、网格划分、施加边界条件（约束）、施加载荷。不锈钢支架材料选用0Cr18Ni9钢材，其材料属性见表1。为了计算方便，使载荷在支架滑轨接触处平均分布，加载1 500 N的载荷，连接的6个螺栓分别加载250 N的载荷。支架悬臂梁的体积较大，不能忽略重力的影响，施加重力载荷（Standard Earth Gravity）。悬臂梁基座施加固定约束（Fixed Support），在基座的4个螺栓孔内施加圆柱面约束（Cylindrical Support）。
3） 后处理求解。对不锈钢支架进行静态结构分析，对施加载荷和约束之后的悬臂梁进行求解，通过求解查看结构的变形情况和应力分布情况，求解得到应力和位移云图（如图2所示）。
由图2可知：在气压缸支撑机械臂升起后，支架悬臂梁承受载荷最大应力出现在滑轨约束位置处，最大应力为15.571 MPa；最大位移形变在支架悬臂梁与机械臂的滑道接触处，最大形变为0.721 mm。此时，悬臂梁的最大应力在安全范围内，说明悬臂梁机构设计合理，强度符合设计要求。
1.2 机械臂装配体整体有限元分析
挤奶机器人的主要运动是机械臂的横移运动和气压缸支撑的伸展与收缩运动，而横移支架是连接梁架结构与横移机构的中间连接体，其工作性能的安全性非常重要，因此，在对横移时的整体做有限元分析时，采用分析装配体模型方式，以保证分析的正确性。
在Solidworks三维建模软件完成装配体模型后，将模型导入ANSYS软件中。前处理环节添加材料属性、网格划分后，还需要定义装配体之间的接触。整体材料选用0Cr18Ni9，其材料属性已知。网格划分尺寸为10 mm，对零件关键部位加密网格（Refine）。选用固结（Bonded）接触类型，接触方式为非对称（Asymmetric）。
对装配体模型进行有限元静力学分析，求解得出装配体在机械臂最高位置、水平位置、最低位置的位移形变云图和应力云图（如图3所示）。
由图3可知：3种工作位置下的位移形变最大量均出现在托盘端部，最大位移形变分别为1.620 mm，1.780 mm，2.080 mm，对整个装配体的工作性能无影响；对于整个装配体来说，悬臂梁架受载均匀对称，应力值分布左右对称，最大应力值分别为70.060 MPa，54.510 MPa，65.640 MPa，出现在气压缸与机械臂连接的位置。此区域出现应力集中，与实际受载分布相符。
不锈钢支架采用的材料为Q345，其许用应力[σ]=137.000 MPa，由此可得出其安全系数：
n=[σ]/σ=137.000/65.640=2.09>2.00
由于受载荷装配体的安全系数大于装配体结构的安全系数，故认为是安全的，即整个机械臂结构和横移支架的装配体是安全的。
2 不锈钢支架结构的模态分析
挤奶机器人装备的机械臂依靠2组气压缸的支撑进行伸展与收缩运动，依靠1组气压缸的驱动进行横移运动，来完成机器人的挤奶工作。支架结构除了支撑机械臂机构全部质量外，还要承受来自气压缸驱动而导致的载荷外力作用。
支架结构是支撑整套装备的重要组成部分，其性能直接关系到装备的安全作业。机械臂结构在由气压缸支撑进行的伸展与收缩过程中一直受动载荷作用，挤奶工作也会使机械臂机构在移动过程中受到外载荷作用。挤奶工作状态还存在横移运动调整。根据不同的工作环境，横移运动会有不同的横移频率和横移阻力。
nlc202309021005
这些冲击动载荷通过各部件的相互连接传递到支架与机械臂结构的各个部分，从而引起挤奶设备整体及部分的动态响应。有必要对装配体结构做模态分析，得出装配体结构的固有频率及振型等，以避免外力频率和结构频率相同或相近而发生共振。装配体结构模态分析结果如图4所示。
由图4可知：一阶和二阶模态的最大振动频率分别为10.391 Hz和11.597 Hz。在挤奶机器人驱动系统气压缸选型及行程、速度设定工作中，要考虑装配体的振动频率，防止发生共振现象，以最大限度地提高机器使用寿命及工作稳定性。
3 结论
为了使挤奶机器人能够满足设计要求，本研究利用有限元分析软件ANSYS，对不锈钢支架及机械臂强度与刚度进行了静力学分析，对不锈钢支架结构进行了模态分析，分析结果表明：1） 当气压缸支撑机械臂升起后，支架悬臂梁承受载荷最大应力出现在滑轨约束位置处，最大应力为15.571 MPa；最大位移形变在支架悬臂梁与机械臂的滑道接触处，最大形变为0.721 mm。此时，悬臂梁的最大应力在安全范围内，这说明悬臂梁机构设计合理，强度符合设计要求。2） 机械臂总装配在3种工作位置下位移形变最大量均出现在托盘端部，最大位移形变分别为1.620 mm，1.780 mm，2.080 mm，对整个装配体的工作性能无影响；对于整个装配体来说，悬臂梁架受载均匀对称，应力值分布左右对称，最大应力值分别为70.060 MPa，54.510 MPa，65.640 MPa，出现在气压缸与机械臂连接的位置。此区域出现应力集中，这与实际受载分布相符。整个机械臂结构和横移支架装配体安全系数为2.09，属于安全值范围。3） 不锈钢支架模态频率显示，一阶和二阶模态的最大振动频率分别为10.391 Hz和11.597 Hz。在挤奶机器人驱动系统气压缸选型及行程、速度设定工作中，要考虑装配体的振动频率，防止发生共振现象，以最大限度地提高机器使用寿命及工作稳定性。
仿真结果显示：机械臂的强度和刚度能够满足设计要求，进而为合理设计挤奶机器人机械结构提供了有力保证。
参考文献
[1] 张会娟，志超，吴峰，等.我国奶牛挤奶设备概况与发展[J].农机化研究，2008（5）：236-239.
[2] 颜志辉，王加启，卜登攀，等.挤奶机器人在奶牛场中的应用[J].中国奶牛，2008（4）：52-53.
[3] 冯瑞章，张文斌.高产奶牛的体貌特征[J].中国畜牧兽医，2008（9）：151-153.
[4] 袁军，王景立.基于Pro/E与ANSYS Workbench的深松铲结构分析及优化[J].中国农机化，2012（5）：77-79.
Simulation of Milking Robot Arm ANSYS based on Finite Element Method
LIU Junjie1， YANG Shenghu2， CHENG Rui1， ZHAO Yi1
（1. Heilongjiang Institute of Agricultural Mechanical Engineering Science， Harbin 150081， China； 2. Harbin Engineering University， Harbin 150001， China）
Abstract： In order to meet the design requirements of milking robot， it used finite element ANSYS software to do static analysis on the strength and stiffness of stainless steel bracket and robot arm， and do modal analysis on the structure of stainless steel bracket. The result shows that the strength and stiffness of robot arm can meet the requirements of the design； it provided a guarantee for reasonable design for mechanical structure of milking robot.
Key words： agricultural machinery； milking robot； robot arm； finite element method； simulation； ANSYS
ANSYS仿真分析 篇7
带式输送机主要用于煤矿井下物料的连续运输, 而其在高负载、高转速、大倾角等特殊工况下, 存在发生断带事故的可能性, 进而造成不必要的人员和财产损失。断带抓捕装置是保障带式输送机安全运行的重要设备之一, 由于输送带断带时的回弹力巨大, 对断带抓捕装置形成较大载荷, 而机架是承担该回弹力的主体, 因此有必要对其进行仿真分析, 以确保抓捕器装置的可靠性。
1断带抓捕装置的工作原理
本文所设计的带式输送机断带抓捕装置的结构如图1 所示, 其主要由楔形自锁抓捕机构、延迟触发结构、液压动力机构和机架等构成。
楔形自锁抓捕机构由滑轨、上下动夹板、上下定夹板、液压系统组成。延迟触发机构由摩擦轮、泵、复位缸组成。从图1 中可看到, 主要抓捕机构为平面滑块-连杆机构, 结构简单且动作灵活。断带抓捕装置是通过液压缸驱动上、下动夹板, 将上输送带挑起、下输送带下压, 与固定在机架上的楔形自锁块相互作用, 对断裂的输送带进行面接触摩擦制动。
2 仿真模型的建立
断带抓捕装置的机架主要由普通碳钢组成, 横梁部分需要与抓捕机构配合, 故采用铸钢。这样既能够保证结构强度和抓捕效果, 又能够保证整个液压抓捕系统的经济性。板材之间主要采用螺栓连接及焊接。根据上述条件, 本文采用以下步骤建立机架的仿真模型:
1) 导入模型。通过Pro/E软件与ANSYS软件间的接口, 将所建立的机架模型导入ANSYS中。
2) 指定模型各部分的材料。在本文的设计中, 断带抓捕装置的机架主要由型钢组成。
3) 对模型的各个部分进行接触关系的定义。由于液压抓捕系统的机架主要由型钢组成, 故所有的零件之间接触关系都定义为接合接触, 且机架各部分按照壳单元处理。
4) 对模型进行约束定义。应在模型底端的螺栓孔定义固定的几何约束, 以模拟真实工况中螺栓将液压抓捕系统的机架直接固定在地基上的安装方式。
5) 对模型进行约束定义。在机架模型上部中间处的横梁上添加作用力, 这个作用力为方向向左的500 k N载荷, 并与竖直参考面成20°夹角, 且均布在中间横梁的下表面, 用来模拟带式输送机断带后, 液压抓捕系统的抓捕机构提供的抓捕力;同时, 为机架的右边两根竖直杆添加作用于两根竖直杆中心且分别垂直两根竖直杆的250 k N的载荷, 用来模拟带式输送机断带后, 液压抓捕系统的液压缸施加给机架的支座反力。采用自动网格划分方式后, 得到机架的有限元模型, 如图2 所示。
3 仿真结果分析
经ANSYS软件计算求解后, 得到断带抓捕装置机架的等效应力分布云图及总变形位移云图, 如图3、图4 所示。
从图中观测可得, 机架的最大应力值发生在右竖直杆上。此处存在螺栓连接, 且液压缸施加了一定的支座反力, 但是此处的最大应力值为87MPa, 而带式输送机断带抓捕装置机架所选材料屈服极限为235 MPa, 因此依然在强度允许范围之内;带式输送机断带抓捕装置机架的位移最大值出现在施加载荷的中间横梁上, 为21.4 mm, 此处是楔形自锁机构通过螺栓安装在横梁上的位置, 位移是沿着载荷施加的方向, 故对螺栓连接的配合没有影响, 结构可以安全工作。通过静力学分析可知, 本论文中的带式输送机断带抓捕装置机架设计合理。
4 结语
1) 针对矿用带式输送机设计研发了一种新型断带抓捕装置;2) 指出断带抓捕装置中机架为受力主体, 并对其进行有限元仿真分析, 通过仿真结果可以看出, 其最大应力和变形值均在其材料允许范围内, 验证了所设计的断带抓捕装置的合理可行性。
参考文献
[1]郑世增.带式输送机断带抓捕问题的研究[D].青岛:山东科技大学, 2011.
[4]张建国, 寇子明, 吴娟.基于ADAMS/Hydraulic的带式输送机断带抓捕机架动力学仿真[J].煤矿机械, 2012 (8) :40-42.
[3]陈伟林.电液控制型带式输送机断带抓捕器研制[D].西安:西安科技大学, 2011.
ANSYS仿真分析 篇8
压电材料是指具有压电效应的材料。压电效应分正压电效应与逆压电效应,所谓正压电效应则是指压电晶体在外力作用下发生形变时,使其晶体表面荷电的效应。反之,对压电晶体外加电场,压电晶体产生形变的效应称为逆压电效应[1]。压电效应反映了压电晶体的弹性和介电性相互耦合作用。
一个多世纪以来,压电材料在工程上的应用得到了长足发展,从最早的石英晶体、复合钙钛铅矿类压电材料,到今天广泛应用的锆钛酸铅陶瓷(PZT)等,压电材料的性能越来越优越。例如用于机械能转换为电能的压电换能器(也称压电发电装置),主要是锆钛酸铅陶瓷(PZT),因为PZT具有较强较稳定的压电性能[2]。
2 压电方程
对于压电材料的机电效应模型,根据具体情况,共有四类压电方程[1],这里介绍第二类压
电方程:其中:T为应力向量;D为电位移向量;S为应变向量;E为电场向量;c为弹性常数矩阵;e为压电应力常数矩阵;ε为介电常数矩阵。在外力F作用下,压电陶瓷变形在两个极面间产生的电压值计算公式[2]为:
3 ANSYS压电分析介绍
由于压电介质的力电耦合效应及压电现象的各项异性,使得解析求解压电介质问题的工作变得十分复杂,这里介绍一种数值方法,采用有限元方法对压电结构进行数据分析,利用大型有限元分析软件ANSYS进行力电耦合效应分析[3]。ANSYS软件除了结构、热、流体、电磁、声学分析之外,还可实现多物理场耦合分析,这里用来进行压电分析。
压电分析采用耦合场分析中的直接耦合法,可进行压电耦合分析的单元有SOLID5、PLANE13、SOLID98单元[4],这里采用SOLID5单元进行压电耦合分析,SOLID5具有8个节点,每个节点具有6个自由度。
4 压电分析模型
这里研究的对象是压电陶瓷薄膜,其上表面覆盖一层金属面板,方便电极的引出,压电陶瓷薄膜采用PZT-5A,在厚度方向极化,耦合上下表面电压,金属面板采用铜片,如图1所示。在金属面板上施加面力1000N/m2,分析其应力应变与产生的电势。
压电材料PZT-5A的密度为7750kg/m3,铜的杨氏模量、密度与泊松比分别为106GPa、8290kg/m3与0.35。进行压电分析还需要输入的压电材料参数还有压电常数、弹性常数与介电常数,弹性常数矩阵c(1010N/m2)为:
压电应力常数矩阵e(C/m2)为:
相对介电常数矩阵ε/ε0为:
5 ANSYS仿真分析
5.1 建模与划分网络
这里采用命令流方式,压电陶瓷薄膜采用solid5单元,金属面板采用solid45单元。
为了保证PZT-5A层与金属面板重合部分传递力和位移的连续性,要采用黏结处理。
5.2 施加载荷与求解
(1)施加约束:在压电陶瓷薄膜下表面施加z方向位移约束。
(2)耦合条件:耦合压电陶瓷薄膜下表面节点电压值为0,并耦合上表面节点电压。
(3)施加载荷:在金属面板上施加面力1 0 0 0 N/m2。
约束与载荷设定后,对模型进行静态分析。求解结束后,得到模型的z方向应变与电压分布图,分别如图2、图3所示。
5.3 结果分析
通过应变分布图2可以看出,最大应变发生在压电陶瓷薄膜上表面。根据压电效应与压电方程,最大应变处将产生最大电压,正如图3所示,最大电压值产生在压电陶瓷薄膜上表面,电压值为49.74mV。
6 结语
压电材料能将机械能转变为电能,通过对压电体施加外力,分析其应变特性与输出特性,通过ANSYS对其进行压电耦合仿真,分析出压电陶瓷薄膜的应变情况与产生的电压,为压电材料力电转换模型的研究提供了一种有效的分析方法,为建立最佳的能量转换装置提供了依据。
参考文献
[1]孙慷,张福学.压电学上册[M].北京:国防工业出版社,1984.
[2]刘辉,何鹏举,等.压电悬臂梁采收低频振动能量的理论分析与仿真[J].仪表技术与传感器,2009,10:91～96.
[2]张福学.现代压电学中册[M].北京:科学出版社,2002.
[3]阚前华,谭长建,张娟,等.ANSYS高级工程应用实例分析与二次开发[M].北京:电子工业出版社,2006.
ANSYS仿真分析 篇9
O型密封圈是一种常用的密封元器件, 具有制造简单、使用方便、成本低廉等特点, 广泛应用于石油化工、机械和宇航领域。由于橡胶材料具有超弹性能[1], 当受到较大外载时, 表现出高度非线性的特性, 往往使得密封圈的精确仿真求解十分困难[2]。本文主要研究了适合于O型橡胶圈的接触仿真方法, 通过稳态和瞬态动力学仿真计算, 给出了材料的刚度—变形曲线和滞回曲线。
1 计算模型
1.1 物理模型
选用的O型橡胶密封圈型号为BS 312, 材料为丁腈橡胶, 材料属性如表1所示。
橡胶单元采用Neo-Hookean超弹本构模型, 由表1计算得出材料的剪切模量为3 120 005.369 Pa, 不可压缩参数为1.29×10-8Pa-1。鉴于O型圈模型的圆周对称性, ANSYS计算模型简化为二维, 边界条件设为底部固定。由于压缩过程中材料将经历大变形, 网格质量直接影响到收敛性, 故本模型应用了四边形网格, 并对网格歪斜度、长宽比、平滑度进行了调整, 上下两个钢板采用整体单一网格模拟。划分网格如图1所示。
1.2 数值模型
从物理意义上讲, 两接触体之间不会相互渗透。在ANSYS有限元分析中采用接触单元模拟接触问题, 以建立两平面间的相互关系。接触单元状态根据下式进行判定:
当I≥0时, 接触单元处于结合并粘着的状态;反之, 接触单元处于结合但可滑动的状态;当接触点分离时, 接触点没有接触, 也就没有刚度矩阵和载荷向量。
最常用的非线性实体表面接触的强制协调性公式有拉格朗日法、罚函数法以及增强拉格朗日法[3]。拉格朗日法不允许接触面有任何穿透, 此方法并非采取接触刚度和穿透关系, 而是将接触状态处理为自由度, 即标记为0或1;罚函数法采用接触刚度概念, 引入刚度乘数, 在接触面间模拟弹簧, 允许接触面有少量穿透;增强型拉格朗日法增加了额外的自由度来满足协调性, 接触压力作为额外的自由度直接求解。本文采用拉格朗日法, 接触探测方式为Nodal-projection。
2 仿真结果
2.1 静力加载结果
总变形量和等效应力图如图2所示。
稳态力加载后, 可得到刚度变形情况, 并进而得出密封圈刚度—变形量关系曲线, 如图3所示。
2.2 动力加载结果
对模型进行瞬态分析, 并考虑材料的阻尼特性。在ANSYS中, 大部分动态阻尼分析被处理为粘滞阻尼[4],
其中, [C]为阻尼常数, 根据Reyleigh阻尼定义, [C]=α[M]+β[K]。O型密封圈的橡胶阻尼属于β型阻尼, 根据表1计算出阻尼率为0.07, 刚度阻尼常数为0.008 9。对模型输入压缩量为0.266 5 mm, 交变位移函数为0.025sin (0.25×2π×t) 的激励后, 位移响应和载荷响应如图4和5所示。可以看出, 在0.180 82 s之前系统处于瞬态响应, 之后趋于为稳态。稳态部分的滞回曲线如图6所示。
滞回曲线是检验超弹材料能量耗散能力的一项评价标准。应变响应滞后于应力响应, 曲线的下半圆周表示加载过程, 上半圆周表示卸载过程, 曲线所包围的部分表示当材料恢复原来形状时的能量耗散量[5]。
3 结论
本文仿真应用了拉格朗日方程作为接触分析方法, 得出了该型密封圈在静载下的刚度—变形曲线, 并通过瞬态分析得出了该材料在0.266 5 mm压缩量, 0.025sin (0.25×2π×t) 交变位移激励下的力学响应和滞回曲线。从仿真结果可得出该O型密封圈的稳态和瞬态动力学性能。
参考文献
[1]胡琦.液压伺服作动器O形密封圈实验研究与有限元分析[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2011.
[2]王伟, 赵树高.橡胶O形密封圈的非线性有限元分析[J].润滑与密封, 2005 (4) :106-107, 110.
[3]ANSYS Mechanical Structural Nonlinearities, Lecture 3Introduction to Contact, ANSYS Customer Training Material[Z].
[4]Cai C, Zheng H, Khan M S, et al.Modeling of Material Damping Properties in ANSYS[C].CADFEM Users’Meeting&ANSYS Conference, 2002.
ANSYS仿真分析 篇10
随着干式变压器单台容量的不断提高,变压器的漏磁场也随之增大,由漏磁引起的涡流损耗及局部过热现象也就更为显著。由于变压器的漏磁分布不均,内部结构复杂,很难准确得到漏磁场分布,从而不能准确计算出附加损耗。在变压器的设计中如果能够准确得到漏磁场分布,进而准确计算出附加损耗,将会对减少变压器成本、节约能源等方面起到重要作用[1]。因此,本文将主要对干式变压器绕组的漏磁场分布和涡流损耗进行分析和计算。
1 计算原理
通过有限元法对变压器漏磁场进行计算,利用ANSYS软件中的电磁场模块对变压器的简化模型进行分析,在获得每个单元漏磁场的基础上,计算出变压器绕组的涡流损耗值,并得到涡流损耗分布[2]。
1.1 变压器漏磁场的计算
变压器额定运行时,各个场量均为正弦变量,在圆柱坐标系中,流过绕组的电流产生的磁场满足下面的方程:
式中:μ为磁导率,H/m;σ为电导率,S/m;A为磁矢位,Wb/m;J为源电流密度,A/m2;ω为角频率,rad/s;r和z分别为圆柱坐标系的辐向和轴向距离,m [3]。
根据模型和求解场域得到求解正弦稳态场的定解问题为
将上面场的方程等价为条件变分问题,对求解区域进行化分,把上诉变分问题离散化,通过单元分析和总体合成,即可得到单元的磁通密度值[4]。
1.2 变压器涡流损耗的计算
变压器的漏磁场由纵向漏磁场和横向漏磁场组成,因此漏磁通在绕组导线中所引起的涡流损耗也分为纵向和横向涡流损耗。
横向涡流损耗为
纵向涡流损耗为
则第i个单元的总损耗为
式中:Bri为第i个单元内的横向磁通密度,T;Bzi为第i个单元内的纵向磁通密度,T;ω为角频率,rad/s;ρ为材料的电阻率,Ω·m2/m;b为导线宽,m;a为导线厚度,m;Ri为第i个单元的重心到铁芯中心的距离,m;Si为第i个单元内导体所占的面积,m2。
对所有单元损耗求和即为绕组的总涡流损耗[5]。
2 计算实例
采用有限元法对1台SGBL10-1600/10干式变压器绕组的漏磁场和涡流损耗进行计算分析,该变压器的联接组别和电压比分别为Dyn11和(10±2×2.5%)/0.4 kV,其中低压绕组为层式铝箔绕组,高压绕组为铝导线饼式绕组,所分析的变压器绕组主要参数如表1所示。
2.1 建模
实际情况的变压器漏磁场是一个三维场,但根据变压器的特点,做如下假设:
1) 漏磁场模型简化为二维场计算,只对一相进行分析。
2) 解模型有对称性,故只建立剖面的一半。
3) 窗内模型包括铁芯柱、低压绕组、高压绕组。
4) 只分析绕组部分,建立每匝绕组。
5) 量均随时间作正弦变化,不考虑高次谐波和空间电荷,忽略位移电流的影响[6]。
简化模型如图1所示。
2.2加载
基于有限元法计算绕组中的漏磁场及涡流损耗,对于计算模型中激励的加载,采用直接施加电流法来模拟变压器的额定运行情况。
电流法在有限元软件中的实现方法如下:在模型区建立变压器高、低压绕组及铁芯模型;由于高压绕组为中断点调压,如图2a所示,在额定运行时为A3-A4连接运行,因此在模型中加载电流要与实际相符,如图2b所示,白色为有电流匝,深色为未通电匝。
3仿真结果分析
3.1漏磁场分析
通过ANSYS软件分析计算,得到漏磁场结果如图3所示。从磁力线分布可以看到高低压绕组之间磁力线最密,漏磁最大,在绕组端部及中部有大量磁力线弯曲,从而引起较大的横向漏磁。
图4为沿径向的绕组纵向漏磁分布图,可以看到漏磁曲线大致呈梯形分布,中间主空道漏磁最大,向两边逐渐减少至零,而在低压侧可以看到两个拐点,这主要是由于低压绕组中间的气道引起的。
低压绕组外径处沿轴向高度的横向漏磁分布和高压绕组内径处沿轴向高度的横向漏磁分布,如图5、图6所示。
可以看到,低压箔式绕组的端部横向漏磁较大,这是因为磁力线在绕组端部弯曲,导致端部的横向漏磁很大[7]。高压绕组有许多小的波动,这是由于高压绕组为饼式绕组,饼与饼之间存在气隙;高压绕组的中部主要是中断点调压,在额定运行时中部两段绕组没有并入电路,并且中部断点处存在较大的绝缘间隙,使得高低压绕组中间局部磁势不平衡,从而引起较大的横向漏磁;高压绕组的上下端部同低压绕组情况相同,横向漏磁较大。
3.2涡流损耗分析
根据电流密度云图可以清楚看到涡流对于电流分布的影响情况,如图7—图9所示。
从图7中可以看到,在每匝导线中左下角的电流密度较大,这主要是由于此处磁力线弯曲,产生较大的横向漏磁,从而在端部引起较大的涡流,并产生较大的涡流损耗。从图8中可以看到,电流分布为左侧较大,逐渐向右侧递减,此处磁势平衡没有较大的横向漏磁,涡流主要由纵向漏磁引起,并且靠近主空道漏磁较大,高压绕组左侧涡流损耗较大。从图9中可以看到,低压绕组端部产生了较大的涡流,使得电流在箔式绕组中分布不均匀,会在端部出现局部过热的情况;低压绕组与高压绕组的端部和中部分别相对应的位置出现了电流密度偏低的情况,此处由于磁势局部不平衡,磁力线向着磁势低的高压绕组弯曲,从而在低压绕组中产生了与端部横向漏磁方向相反的漏磁,起到了去磁的作用,使得电密有所降低[8]。
3.3计算结果分析
从图10的低压绕组电流密度分布图中可以清楚的看到,由于端部涡流的作用,箔式绕组的端部会产生较大的涡流损耗。而从图11的高压绕组电流密度分布看,在端部和中部会产生较大涡流,但是由于是饼式绕组,端部的涡流密度并没有箔式绕组那样变化明显。
根据得到漏磁结果,可以利用有限元法计算出绕组的横向和纵向涡流损耗,如表2所示。由表2可以看到,低压绕组的纵向涡流损耗大约占电阻损耗的14%,而横向涡流损耗占电阻损耗的5%左右。从图12低压绕组涡流损耗密度分布可以看到,低压箔式绕组的端部涡流损耗密度大约为正常纵向漏磁涡流损耗密度的6倍,因此,在端部将会产生局部过热的问题。高压绕组的纵向涡流损耗占电阻损耗的3%左右,而横向涡流损耗大约为纵向的三分之一,涡流损耗与工程算法计算值基本一致[9]。
4结论
1) 绕组端部和中部的磁势不平衡引起了磁力线的弯曲,产生了较大的横向漏磁。
2) 在磁势不平衡位置以及靠近主空道位置,都
产生了较大的涡流损耗,涡流损耗的分布和漏磁的分布趋势基本相同。
3) 横向涡流损耗主要是绕组端部较大,在低压箔式绕组中表现的尤为明显,而纵向涡流损耗则主要集中于靠近主空道的绕组中部。
4) 利用ANSYS有限元计算法可以满足工程需要,并可为变压器涡流损耗分析提供一种较为可靠的方法。
参考文献
[1]谢毓城.电力变压器手册[M].北京:机械工业出版社,2003:74-140.
[2]王建民,王宇翔,韩冬杰,等.箔式变压器绕组漏磁场及其特性参数的数值分析[J].变压器,2010,47(10):1-4.
[3]陈玉庆,蔡斌.大型电力变压器漏磁场的ANSYS有限元分析[J].电力学报,2008,23(6):442-445.
[4]王福康.干式变压器漏磁场及温度场的研究[D].天津:河北工业大学,2007.
[5]SIPPOLA M,EPPONEN R E S.Accurate prediction of high-frequency power-transformer losser and temperature rise[J].IEEE TRANSAC-TIONS ON Power electronics,2002,5:835-847.
[6]张辉,金鸿信.大型变压器线圈涡流损耗的有限元计算[J].沈阳工业学院学报,1992,11(3):75-86.
[7]王宇翔,王建民,刘建新,等.油浸式变压器绕组涡流损耗及温度场分布研究[J].电力科学与工程,2011,27(1):28-31.
[8]康雅华.电力变压器涡流损耗及温度的计算与分析[D].沈阳:沈阳工业大学,2007.
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