摘要： 为保证气体绝缘开关（GasInsulated Switchgear， GIS）设备在恶劣环境下工作的可靠性，利用SolidWorks和ANSA建立GIS设备有限元模型，采用Abaqus进行强度校核和动力学分析.计算设备在温度和气体压力共同作用下的结构响应；动力学分析首先进行模态分析，之后分别采用时程分析和反应谱分析计算在8级烈度地震作用下的结构响应，并比较两者计算结果.计算结果表明：三通和四通安全因数较低，需要改进设计；反应谱分析与时程分析结果一致，表明该GIS设备在地震应力作用下是安全可靠的.
关键词： GIS设备； 温度； 气体压力； 模态； 时程分析； 反应谱； 地震应力； 有限元
中图分类号： TM564；TB115.1文献标志码： B
Abstract： To ensure the reliability of GasInsulated Switchgear（GIS） equipment under the severe environment， a finite element model is built for a GIS device by SolidWorks and ANSA， and the strength check and dynamics analysis are performed by Abaqus. The structure response is calculated under the effect of temperature and gas pressure. In the dynamics analysis， the modal analysis is firstly performed and then the structure response is separately calculated by timehistory analysis and response spectrum analysis under the earthquake of magnitude 8 and the results are compared. The calculation results show that， the safety factors of three way pipe and four way pipe are lower， which should be improved； the results of response spectrum analysis and timehistory analysis are almost the same， which indicate that the GIS device is safe and reliable under the effect of earthquake stress.
Key words： GIS equipment； temperature； gas pressure； modality； timehistory analysis； response spectrum； earthquake stress； finite element
0引言
气体绝缘开关（GasInsulated Switchgear，GIS）被广泛应用于国家重点工程.近几年输电线路的建设显现一些新的特点：电压朝着超高压、特高压的趋势发展；导电线路结构复杂，导线子分裂数越来越多；母线筒跨度距离越来越长；绝缘套筒高度越来越高；线路结构复杂多变，各种各样的保护、监测工具附件越来越多，相应的支撑结构也越来越复杂.一旦GIS设备出现故障就有可能导致大范围的输电中断，造成不可估计的经济损失.GIS总体设备庞大，很难进行测试试验，因此优先考虑采用有限元分析进行校核[1]，通过有限元分析结果指导GIS设备的设计和优化，确保设备运行安全稳定.本文针对某大型GIS设备进行有限元分析，阐述基于ANSA和Abaqus的GIS设备强度校核和动力学分析方法，保证GIS设备安全可靠.
1模型简化
目前，主要的CAD软件如UG，CATIA，SolidWorks，Pro/E，AutoCAD等，均能满足GIS设备三维建模的要求.[2]本项目以SolidWorks 2010为建模工具，采用step中间转换格式，转换效果能够满足网格划分要求，完整传递模型的几何信息和拓扑信息，很少出现坏面情况.
利用三维软件可以模拟设备的外观和内部结构的细节，渲染之后的模型非常真实，但对于有限元分析，有些细节是不必要的，甚至会严重影响分析的顺利进行[3]，所以需要在建模时对模型进行合理简化，一方面减少三维建模的工作量，另一方面减少网格划分耗费的时间.
GIS设备中远离关心部位的几何特征，如小圆角和小孔等对计算精度影响很小，所以进行合理简化，以免增加网格划分难度和计算成本.
连接法兰的螺栓利用Abaqus中的运动耦合建立孔内壁节点的耦合关系模拟，只保留法兰上的螺栓孔，见图1.
根据实际作用将热伸缩波纹管简化为具有等效轴向刚度的直筒[4]，与利用Abaqus中的弹簧单元进行模拟相比，两者实际效果一致.
根据计算需要合理简化内部结构，例如：在设备整体分析中，导电杆和绝缘盒子都以集中质量的形式附加到结构中；而在对该部分进行单独计算的子模型中需要进行建模，不能简化，并且还要进行网格细化以提高计算精度.在外部结构中，将远大于母线筒强度的部件建成刚体，减少不必要的计算成本.考虑到后续划分网格的需要，如有些模型需要进行切割以得到高质量的网格，则可以在SolidWorks建模时不合并该特征.
在简化模型的各个零部件建模后进行模型装配，可以利用SolidWorks镜像和阵列等功能，减少建模耗费的时间.网格划分可以由多人协同完成，只需把整个装配体另存成几个部分，然后在ANSA中就可以方便地进行合并. 2网格划分
ANSA是目前效率最高的有限元前处理工具之一，能够快速高效地读取结构复杂、规模庞大的模型数据，还可以十分快捷地建立各种接触、耦合和连接单元，方便地施加求解器分析所需要的各种边界条件、载荷及载荷步等信息，得到的模型可以直接提交给Abaqus求解器进行计算.
在进行网格划分时，面网格尽量采用四边形单元，体网格采用六面体单元，因为它们不仅精度高，耗费的计算时间也相对较少.当划分六面体网格困难时采用四面体进行划分.
单元尺寸的确定通常采用试验法：通过对模型进行不同尺寸网格的计算，选取合适的网格尺寸.对于单元较多的结构必须注意模型整体的单元数，考虑实际计算条件.
综上所述，在对该GIS设备网格划分时，筒体抽中面后用壳单元模拟，法兰和端盖等其他结构用实体网格进行模拟.
在前处理中比较繁琐的工作是材料属性的定义和分配.一般的做法是逐个输入数据建立，模型中有多少种材料就需要创建多少个材料属性，而且不可以在不同的模型中重复使用.[5]本文研究的GIS设备结构件在进行必要的切割后的零件总数达到2 000多个，对大量的零件属性每个新建再赋值十分繁琐，且容易出现人为错误.因此，使用TCL开发基于HyperMesh的材料定义.具体做法是：对零件命名进行规范，名称中包含材料名和单元厚度（壳单元）等属性信息，通过执行TCL脚本分割零件名称字符串，直接完成所有零件属性[6]的建立，减少人为错误，提高工作效率.
2.1材料和属性管理
ANSA在材料与属性管理方面具有很大优势，与HyperMesh相比有以下优点：导入模型时，可自动为每个零件建立默认的材料和属性.打开材料属性库，点击材料名称即可进行编辑操作，输入弹性模量、泊松比、密度等所需要的参数；打开属性库，点击属性名称即可进行编辑，输入单元类型、厚度等参数，也可以直接导入文件添加已有数据，避免人为错误且效率高；在数据编辑和更新时可以进行批量操作，方便进行修改、替换等操作；将几何数据与网格模型相关联，对CAD模型的修改可以直接反映到网格模型上，比在HyperMesh中修改更加便捷.[7]
需要注意的是：自动生成的材料库和属性库需要更改2个设置项，即必须在材料库和属性库中选中所有项目，并将Defined设置为YES，FROZEN_ID设置为NO，否则输出求解文件时会被忽略，求解器会报告属性丢失的错误信息，使得分析无法进行.
ANSA对材料和属性进行管理和编辑的功能强大，只需要选中被修改项，右键点击最上方的标签即可进行编辑，例如：结构分析完成之后需要进行温度和位移耦合分析，只需要将单元属性中的T选项打开即可（面单元在Optional 2中设置，体单元在Optional 3中设置）.同时，ANSA中还可以建立企业自己的材料库，需要时只需单击鼠标右键，选择Update from DB直接从已有的材料库中更新材料，也可以将新编辑的材料添加到材料库中，管理和使用十分方便.本文GIS设备的主要材料参数见表1.
2.2约束关系的建立
ANSA建立和管理各种接触、耦合和连接单元非常便捷，例如：模拟法兰盘螺栓连接使用刚性耦合，如果在HyperMesh中建立需要手动指定耦合的控制节点，而ANSA可以自动生成一个默认的控制节点，从而大大减少工作量.
ANSA中接触对的建立和管理也十分方便，只需要选择主面与从面并指定接触属性即可，接触属性的编辑也十分便捷，见图2，为TIE绑定接触.
用ANSA进行多体分析时创建连接单元十分方便.以创建SLOT单元为例，只需要选择连接的2个节点并编辑单元属性后即可创建连接单元.本文GIS设备的主要约束关系有：法兰之间通过运动耦合模拟螺栓连接；筒体与法兰用运动耦合模拟焊接；筒体与支腿间通过TIE绑定模拟装配关系.
2.3边界条件和载荷施加
上述工作完成后即可进行边界条件的定义和载荷的施加，创建所需要的分析步.
首先定义边界条件，然后对相同的边界条件新建一个SET方便进行管理，之后添加边界条件和载荷.
1）边界条件的施加：约束的位置为支腿底部，根据实际情况有全约束和轴向可滑动约束2种形式.需要建立局部坐标系并在局部坐标系中施加轴向可滑动约束边界条件，实例见图3.
2）强度分析载荷和载荷步定义：强度分析所定义的载荷步为温度位移耦合静力分析，施加筒体内部压强和外界温度降低的综合载荷.
3）动力学分析：主要考核在8级烈度地震作用下的结构响应，根据高压开关设备抗震性能试验[8]和建筑结构抗震设计[9]的相关要求，分别采用时间历程（时程）和反应谱进行分析.时程分析需要在支腿底部施加加速度曲线，在ANSA中可以直接进行定义：先定义全局重力场分析步，之后定义加速度载荷分析步（需要释放相应方向上的位移边界条件）.反应谱分析先进行模态分析，之后在inp文件中定义加速度谱和反应谱分析步.[10]同时，为方便场输出和历程输出的管理，设置输出请求等参数.
3强度校核结果
通过Abaqus温度位移耦合分析，得到各个部件的von Mises应力云图和变形量，并计算得到安全因数.部分部件计算结果见表2.
三通和四通应力云图见图4，可知：三通和四通的最大应力均位于转弯处，说明该位置是整体强度的薄弱环节，需要采取增加筒体厚度、更换更高强度材料等措施解决.
4动力学分析结果
通过对比Abaqus时程分析与反应谱分析结果，可以得到设备在8级烈度地震载荷下的响应，以此判断结构的抗震性能.部分部件的计算结果对比见表3.
综合时程分析和反应谱分析的结果可知：在8级烈度地震作用下结构强度均满足安全要求.由于误差、算法本身的差异等原因两者计算结果虽然存在一定的差异，但结论是一致的，即设备动力学性能符合安全要求. 5结论
基于ANSA和Abaqus对大型GIS设备进行强度校核和动力学分析，发挥ANSA高效、便捷的优势，结合Abaqus求解器进行分析，得出如下结论：
1）强度校核结果表明，除三通、四通的安全因数较低需要采取改进措施、增加结构强度外，其他结构均满足安全要求.
2）动力学分析结果表明，GIS设备各个结构均能满足8级烈度地震下的使用要求，时程分析与反应谱分析结果一致.
3）时程分析需要耗费大量的计算成本，由本项目2种方法的计算结果对比可知，用反应谱分析代替时程分析是可行的.
4）进行求解时由于软件版本更新等问题出现不兼容现象，例如在ANSA中无法定义反应谱分析，需要在inp文件中添加关键字等.
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