模塊化預制艙設計與研究

竇輝　殷帥兵　王哲　李承光

【摘 要】本文提出了模塊化預制艙的概念，對其結構進行了介紹。提出了模塊化預制艙的設計方法，并按照設計方法對模塊化預制艙進行了設計。對模塊化預制艙模型進行了簡化，基于ANSYS Workbench仿真分析軟件對簡化模型進行了吊裝工況和12級風工況下的仿真分析。分析結果表明，模塊化預制艙在吊裝工況和抗擊12級風工況下的應力在允許范圍內，并且整體變形較小，不會發生屈服破壞。最后對模塊化預制艙實物進行吊裝、側傾和公路運輸工況的試驗。試驗結果表明，按照上述設計方法得到的模塊化預制艙整體強度和剛度較好、性能可靠，可以滿足使用要求，從而驗證了本文中設計方法的科學性和有效性。

【關鍵詞】模塊化預制艙;設計方法;ANSYS Workbench;仿真分析

中圖分類號： TM63 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）22-0001-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.001

0 前言

隨著國家經濟水平的不斷發展，基礎設施建設也在加快進行。作為基礎建設中不可或缺的一項配套設施，變電站的建設需求量也在逐步加大[1-2]。新一代預裝式二次設備集成艙體（預制艙）逐步、穩固的在智能變電站中推進，使智能變電站的集成化程度高、占地面積小、工廠預制化程度高等優點已經凸顯。不論是高壓輸電項目、高鐵城軌建設項目、城市配套大型污水處理項目，還是大型清潔能源儲能項目等都要建設變電站或者儲能站，預制艙的需求量更是日漸增多。傳統的預制艙結構形式主要是主框架焊接結構，只能在主框架全部焊接完成之后進行噴涂或噴漆，再逐步進行其他非承重部分的安裝，這樣預制艙加工周期較長，不利于進行大批量快速生產。預制艙作為新一代智能變電站的重要設備之一，其生產過程仍未能實現模塊化設計與制造，不能實現工廠標準化預制和變電站現場施工模塊化裝配，導致二次預制艙艙體設計的通用化程度較低。因此，研究戶外設備的功能和性能需求，結合新一代預制艙的優點，研制新型標準模塊化快速裝配式預制艙，使其具有更加安全、高效、方便、可靠的標準化快速裝配性能，從而使預制艙適應新一代變電站的智能化、標準化建設的需求迫在眉睫。

王勇奎等對預制艙的最優起吊位置進行了研究，得到了一般情況下預制艙最優起吊位置的計算方法，使得底座彎曲剛度最大，并通過仿真分析進行了驗證[3]。王大慶對110kv預制艙式變電站進行設計，并對預制艙與一次部分的土建設計進行闡述[4]。郭勝軍等針對智能變電站二次設備預制艙底座高度小于300mm的要求，設計了H型鋼與槽鋼焊接組合的新型底座結構方案，并驗證了新型底座方案的安全性與可靠性，降低了底座重量和加工成本，提高了底座的整體剛度[5]。劉志偉等介紹了預制艙面臨的環境因素，及其設計中應注意的問題[6]。但以上這些研究都沒有對傳統預制艙的結構進行改進，也就沒有解決縮短預制艙加工周期的作用。本文所介紹的模塊化預制艙將整個預制艙分成若干個模塊，實現了各個模塊的標準化，整艙加工只需要將各個預生產出來的模塊按照一定的工藝流程組裝起來即可，有利于流水線生產，分模塊作業，能夠有效縮短預制艙生產周期，實現多種零部件的標準化從而降低成本。

1 模塊化預制艙設計

1.1 模塊化預制艙介紹

模塊化預制艙長12.2m、寬2.8m、高3.2m，主要分為底座模塊、圍框模塊、頂蓋模塊以及安裝附件，其模型示意圖如圖1所示。為了保證吊裝、承重等工況下艙體有足夠的機械強度，底座采用整體焊接的形式整體作為一個模塊，如圖2所示。圍框模塊和頂蓋模塊為金屬焊接框架填充聚氨酯復合板的形式，共有十個圍框模塊和四個頂蓋模塊，如圖3和圖4所示。各個相鄰的模塊之間通過緊固件進行組裝連接，這樣有利于實現流水線生產，縮短加工周期、提高產量。

經過計算，圍框總重量為3604Kg，其中兩側圍框的總重量共為2722Kg;兩個端部圍框的重量共為882Kg;頂蓋每個模塊的重量為452Kg，頂蓋的總重量為452*4=1808Kg。

1.2 設計計算

模塊化預制艙的特殊性設計主要體現在各個模塊的連接點設計以及螺栓數量的計算上。對于預制艙的各種工況來說，運輸轉彎工況和受到12級風力作用的情況下螺栓受力最大，并且圍框和底座之間連接的螺栓的受力情況相對來說最為嚴重，因此選擇這兩種極端情況對圍框和底座之間所需要的螺栓個數進行計算。預制艙圍框與底座之間的連接方式如圖5所示，圖中A點和B點為螺栓連接點，通過若干個連接點的螺栓連接，實現底座與圍框之間的固定。

1.2.3 螺栓個數總結

根據1.2.1和1.2.2節的計算結果，圍框和底座之間最少需要螺栓數量最多為120個。實際情況由于有端部圍框的支撐作用，以及頂蓋安裝之后所起到的連接作用，艙體整體的強度很好，因此這個數量的螺栓能滿足需求。

本設計中，圍框和底座之間最終共采用了130個螺栓，大于理論計算的120個螺栓的數量，使整艙的抵抗變形和破壞的能力更強。

2 仿真分析

對模塊化預制艙模型進行簡化處理，運用有限元分析軟件ANSYS Workbench 對簡化的模塊化預制艙模型在吊裝和12級風載兩種工況下進行仿真分析[7-8]，分析結果如下。

2.1 吊裝工況

預制艙采用四點吊裝的吊裝形式，吊裝示意圖如圖9所示。

通過對簡化模型施加預制艙各部分等效的重量，并對四個吊點施加固定約束，進行仿真計算得到模型的應力云圖和變形云圖分別如圖10和圖11所示。

艙體骨架材料為Q235，其屈服強度為235MPa，這里取安全系數為ns=1.8，得到許用應力σ=σs/ns=235/1.8=130.6Mpa。從圖10可以看出，艙體的最大應力為213.32MPa，當把圖中紅色區域的最小值調整到80MPa時，應力云圖中仍是大片的藍色，沒用明顯的紅色區域出現，說明213.32MPa的最大應力是由于應力集中造成的，艙體整體的應力在80MPa以下，小于許用應力130.6MPa，滿足要求。從圖11可以看出，艙體的最大變形量1.2279mm，最大變形位置發生在頂蓋中間段，變形較小。

2.2 抗風工況

以12級風為抗風標準，根據2.2節中的風力計算得到預制艙受到的風力大小為29335N。對預制艙簡化模型進行12級風下的仿真分析計算，得到抗風工況下的變形云圖和應力云圖如圖10和圖11所示。

從圖12可以看出，艙體的最大變形量1.4219mm，由于1.4219mm遠小于30mm，說明艙體變形量很小，滿足使用要求。從圖13可以看出，艙體的最大應力為198.87MPa，當把圖中紅色區域的最小值調整到80MPa時，應力云圖中仍是出現大片的藍色，沒用明顯的紅色區域出現，說明198.87MPa的最大應力是由于應力集中造成的，艙體整體的應力小于80MPa，小于結構鋼的屈服極限235MPa，滿足要求。

從圖12可以看出，艙體的最大應力為198.87MPa，當把圖中紅色區域的最小值調整到80MPa時，應力云圖中仍是大片的藍色，沒用明顯的紅色區域出現，說明198.87MPa的最大應力是由于應力集中造成的，艙體整體的應力在80MPa以下，小于許用應力130.6MPa，滿足要求。從圖13可以看出，艙體的最大變形量1.4219mm，變形較小。

3 實驗驗證

通過對各個模塊進行連接安裝，并對整艙進行裝修布置得到了模塊化預制艙的樣機如圖12所示。目前已經對樣機進行了吊裝、側傾和汽車運輸工況的試驗，試驗過程中艙體并沒有出現明顯的變形和扭曲現象。試驗結果表明，按照上述設計方法得到的模塊化預制艙整體強度和剛度較好、性能可靠，可以滿足使用要求。從而驗證了本文中設計方法的科學性和有效性。

4 結論

（1）在原有整體焊接框架預制艙的基礎上，提出了模塊化預制艙的全新概念;針對一款模塊化預制艙進行了圍框與底座間所需螺栓數量的計算，保證其強度和剛度的可靠性，從而對模塊化預制艙進行了設計。

（2）基于ANSYS Workbench仿真分析軟件對模塊化預制艙簡化模型在吊裝工況和12級風工況下進行分析計算。得到結論：根據本文中的方法設計出的模塊化預制艙在吊裝工況和抗擊12級風工況下整體變形和應力較小，沒有明顯的應力過大區域出現，不會發生屈服破壞，預制艙滿足要求。

【參考文獻】

[1]朱萬龍，張耀龍，劉超.淺談變電站建設中電氣設備預制艙的應用.四川水利， 208，39（01）：51-52.

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[3]王勇奎，殷帥兵，王哲，等.基于ANSYS Workbench的預制艙最優起吊位置研究.科技視界，2018（19）：32-34.

[4]王大慶.預制艙式變電站模塊化設計方法.電子測試，2018（14）：5-8.

[5]郭勝軍，王偉.預制艙底座結構分析與優化設計.煤礦機械，2017，38（08）：87-89.

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