油浸式变压器油箱CAD/CAE系统开发与有限元分析

论文摘要

大型电力变压器在国民经济及日常生活中占有重要地位。随着工农业的发展,对电力需求会越来越大,这就导致变压器在容量、电压等级上逐渐提高。随之,对变压器的运行质量和工作环境的要求也会越来越高。因此,精确地总结出一套设计与分析变压器于一体的系统成为变压器行业的迫切需要。本论文完成了大型变压器油箱的自动化设计系统、结构和变压器磁场的有限元分析,并在此基础上,完成了大型变压器油箱的结构优化。论文借助VC++、Pro/E和数据库等软件,对变压器油箱的各子零件及装配系统设计进行了研究。针对油箱的设计标准,借助于Pro/E提供的第三方开发平台Pro/TOOLKIT等完成了油箱简体的CAD系统设计,并借助于数据库软件对相关数据进行管理,为变压器油箱的系统设计提供了自动化界面和后台的数据维护。借助于有限元分析软件ANSYS,对油箱在真空实验下进行了结构分析,并在此基础上开发了基于APDL的开发界面,方便用户操作,实现了CAE系统的设计。通过分析,可以观察出油箱在实验稳态时应力和变形分布。其结果可以指导设计人员在设计油箱时采取措施尽量提高油箱的结构性能。论文还在上一部分的基础上,对油箱进行了优化分析。采用两种优化方法,一种是利用ANSYS的优化模块对油箱结构尺寸进行优化;另一种通过增补薄弱环节的加强筋来实现油箱的结构优化。通过这两种方法的对比,总结了对变压器油箱进行几何结构优化的方法和大体过程。最后分析了变压器磁场分布。针对变压器电磁场的有限元数值计算的理论和特点,给出了变压器二维和三维的漏磁分析的方法、理论和过程,并对结果进行了讨论,经过讨论总结出变压器的磁场分布特点。本论文的完成,为变压器的CAD/CAE的发展,提供了一套切实可行的方案。在CAD方面:论文在Pro/E软件的基础上,展现了利用其各种二次开发技术形成一个CAD兼容数据库的虚拟装配系统的基本过程;在CAE方面:论文展现了在ANSYS软件的基础上,对变压器油箱进行结构、磁场分析的过程,并对油箱的几何结构进行了优化。当今机械行业中,CAD与CAE并行发展、相辅相成,它们各自的发展同时又推进了对方的发展需求。对于电力变压器这一机械和强电相结合的领域,CAD/CAE的发展同样也是变压器改进和发展的根本动力。总之,本论文所提供的思路和方法,对变压器的自动化设计和最优化在生产实践中的应用,提供了一种比较详细的方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和来源
• 1.2 国内外研究进展和现状
• 1.2.1 变压器油箱的CAD设计
• 1.2.2 变压器油箱的CAE分析
• 1.2.3 变压器磁场
• 1.3 课题意义
• 1.4 研究内容与方法
• 1.4.1 变压器油箱 CAD系统的开发
• 1.4.2 变压器油箱 CAE系统的开发
• 1.4.3 变压器油箱的结构优化
• 1.4.4 变压器磁场的有限元分析
• 第2章 变压器油箱 CAD系统的开发
• 2.1 变压器设计概述
• 2.1.1 变压器的工作原理
• 2.1.2 变压器的组成部件
• 2.1.3 变压器油箱的详细介绍
• 2.2 Pro/E二次开发方法介绍
• 2.2.1 各种开发方法介绍
• 2.2.2 TOOLKIT开发介绍
• 2.2.3 LAYOUT开发介绍
• 2.3 变压器油箱 CAD系统的设计理论
• 2.3.1 三维建模及参数设定
• 2.3.2 程序设计和参数提取
• 2.3.3 数据库连接与维护
• 2.4 变压器油箱 CAD系统的设计
• 2.4.1 油箱主体 CAD系统的设计
• 2.4.2 加强筋 CAD系统的设计
• 2.4.3 运输设备 CAD系统的设计
• 2.4.4 其他附件 CAD系统的设计
• 2.4.5 装配 CAD系统的设计
• 2.5 本章小结
• 第3章 变压器油箱 CAE系统的开发
• 3.1 ANSYS分析方法介绍
• 3.1.1 前处理模块（PREP7）
• 3.1.2 求解模块（SOLUTION）
• 3.1.3 后处理模块（POST1和POST26）
• 3.2 ANSYS二次开发方法介绍
• 3.2.1 参数化程序设计语言（APDL）
• 3.2.2 用户界面设计语言（UIDL）
• 3.2.3 用户程序特性（UPFs）
• 3.2.4 ANSYS数据接口
• 3.3 变压器油箱 CAE系统的开发
• 3.3.1 问题描述
• 3.3.2 前处理模块
• 3.3.3 加载和求解模块
• 3.3.4 网格划分模块
• 3.3.5 后处理模块
• 3.4 油箱机械强度的数值分析与验证
• 3.4.1 数值计算的基本理论
• 3.4.2 数值计算过程
• 3.5 本章小结
• 第4章 变压器油箱的结构优化设计
• 4.1 优化设计的基本理论
• 4.2 利用Design Opt模块进行优化
• 4.3 通过增补加强筋进行优化
• 4.3.1 增设垂直高低压侧壁方向的加强筋
• 4.3.2 增设平行高低压侧壁方向的加强筋
• 4.3.3 两种增设加强筋方式的比较
• 4.4 本章小结
• 第5章 变压器磁场的有限元分析
• 5.1 磁场分析理论
• 5.1.1 电磁场理论基础
• 5.1.2 电磁场数值分析方法
• 5.2 变压器的磁场分析
• 5.2.1 变压器磁场基本知识
• 5.2.2 变压器磁场的理论计算
• 5.3 变压器漏磁场的二维分析
• 5.3.1 问题描述
• 5.3.2 前处理
• 5.3.3 加载和求解
• 5.3.4 后处理
• 5.3.5 加磁屏蔽后的漏磁场分布
• 5.3.6 结果讨论
• 5.4 变压器漏磁场的三维分析
• 5.4.1 三维磁场分析理论
• 5.4.2 问题描述
• 5.4.3 前处理分析
• 5.4.4 载荷加载过程
• 5.4.5 后处理显示
• 5.4.6 结果讨论
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表