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本文详细阐述了预制舱并舱的具体结构，并对成形后的主体结构进行了强度、12级风载荷以及吊装下的SolidWorks Simulation仿真分析；仿真分析结果不仅证明了预制舱并舱结构设计的可行性和正确性，为预制舱的结构设计提供了理论依据，加速了预制舱产品的开发进程。通过福州恒苍变的实际运行，验证了该分析的可靠性与可行性。为以后预制舱设计优化提供了分析方法和理论支持，加快了国家变电站产业化的进程。
一、引言
近年来随着国内电力产业的飞速发展，国家电网全面启动标准配送式智能变电站工作，大力推行“标准化设计、工厂化加工、装配式建设”。标准配送式智能变电站取消主控室或操作小室，以预制式组合二次设备舱代替。预制舱是一种新型的电力设备结构载体，在节能环保的同时具有机械强度高、人机操作环境佳且安全可靠性高等特点。由于变电站二次设备在出厂前入舱并完成集成调试，运达现场即可直接投运，改变了原有的现场安装、调试工作方式，具有占地面积小、建设工期短及投资成本低等显著优点，预制舱体将对智能变电站安全、稳定运行起着至关重要的作用。
预制舱需要符合吊装、12级风载荷、积雪和覆冰等严酷工况设计要求。本次设计在结构设计完成后，借助 SolidWorks Simulation仿真分析技术软件，对预制舱结构的强度、12级风载荷及吊装工况下进行仿真模拟分析，确定其强度以满足不同工况下的设计要求。
二、预制舱力学结构介绍
二次设备预制舱是标准配送式变电站的一个重要组成部分，是原来二次设备室的更新换代品，对强度、刚性、密封和保温都有很高要求，为了节省内部空间，提高利用率，有时采用双舱拼接结构，且两舱间不允许有立柱，此种结构在运输、起吊时受到冲击力作用后，结构受力很大。为了保证预制舱的强度，我们采用了32#工字钢作为单舱的承重梁，支撑承重梁的是2根6个厚的方管；底座采用16#槽钢横竖交叉焊接成型的结构，舱体的立柱采用3.0厚钢板弯曲成几字形零件，然后两个几字形零件相扣焊接成一个封闭的立柱型腔。顶框架采用120×60×4的矩形管焊接而成的，顶盖上的支撑梁和立柱形成一个门字形的结构，有效地传递了顶部的载荷。并舱的中间我们增加了连接活立柱，连接活立柱由上立柱、固定板、下立柱、加固块和连接法兰组成，在使用过程中连接活立柱整体安装，用来支撑跨度12米的承重梁，上下法兰分别与底座和承重梁固定，左右固定板将上下立柱连为整体。连接活立柱的固定保证预制舱在运输、起吊过程中强度要求。根据道路运输规范，受实际运输条件的限制，运输时采用单舱运输，到现场后两个单舱进行并舱处理。预制舱就位后，拆卸连接活立柱。该连接活立柱结构在固定预制舱承重梁时连接可靠、强度好、拆卸方便且对预制舱在运输和起吊过程中能起到良好的支撑和加强作用。预制舱并舱结构框架图如图1所示。
三、预制舱不同工况的强度仿真分析
预制舱总重量13.5t，其中舱顶自重2t，每一个机柜按照500Kg共15面机柜计算，其余为舱体自重。舱体材料为普通碳钢，舱体总长为12m，基于以上的结构，利用有限元分析软件对预制舱并舱进行结构力学分析。进行12级风载荷仿真模拟时，采用软件的对称功能，分析结果为双舱体的分析结果，吊装为单舱体计算结果。
1.预制舱舱顶积雪、覆冰工况仿真分析
（1）预制舱积雪、覆冰工况载荷确定。
预制舱工作时须满足冬天冰雪天气，根据GB/T11022—2011要求，预制舱设计时应考虑的覆冰范围从1mm到20mm，但最大覆冰厚度不超过20mm。由于雪的密度（50～100Kg/m 3）远小于冰的密度（900Kg/m 3），故本工况分析时按最恶劣的情况考虑（舱顶覆冰厚度为20mm）。覆冰20mm时产生的压力为709N，如公式（1）所示。
F=mg=ρShg=900Kg/m3×2700×1240×1.2×10-6m2×0.02m ×9.806N/Kg=709N （1）
预装式变电站的外壳应有足够个机械强度，所能耐受的顶部负荷最小值为2500N/m 2（竖负荷或其他负荷）。舱顶承重区域面积为5×8×（2330×80）=7.456×106，将舱顶覆冰厚度重量转换为单位面积上的压力 P=F/S=709/7456000=9.509×10-5MPa。
（2）预制舱积雪积雪、覆冰工况仿真分析结果。
在舱顶施加每平米1000N的作用力来模拟积雪，舱体内部施加32面机柜的重量，施加重力约束，并将舱体的自重也施加上，预制舱底座固定约束进行仿真分析。
图2表明：预制舱在最大覆冰厚度20mm时，预制舱最大的变形量为14mm左右，变形量最大位置主要集中在预制舱顶部的中间区域，大部分区域的变形量为6mm左右，小于24mm（国标要求总跨度的1/500）。仿真分析结果表明：预制舱完全满足积雪覆冰工况的设计要求。
2.预制舱12级风载荷工况下仿真分析
（1）预制舱12级风工况载荷确定。
将12级风等效风压作用在预制舱正面的侧面竖立柱上，相当于在正压区施加12级风所产生的风压力。风压力计算公式如公式（2）所示。
F=0.65v2A（2）
式中，F为风力，单位为牛顿（N）；v为平均风速，单位为米每秒（m/s）；A为平板面积，单位为平方米（m2）。
预制舱长度方向侧板面积 A=12200×2660=32.452m2，12级风在预制舱侧面上产生的风压力为24385N，公式如公式（3）所示。
F=0.65v2A=0.65×342×12200×2660×10-6N≈24385N （3）
（2）预制舱12级风工况仿真分析结果。
将计算好的载荷加载到预制舱的迎风面上，通过有限元分析软件，计算分析得到的位移云图如图3所示。
图3表明：在12级风载荷作用下，预制舱最大的位移为9.5mm，变形量最大位置主要集中在预制舱顶部的中间区域，大部分的区域变形量为5mm左右。仿真分析位移云图结果表明：预制舱在12级风这一工况下，结构强度符合设计要求。
3.预制舱吊装工况仿真分析
（1）预制舱吊装工况载荷确定。预制舱采用6点吊装，载荷、位移约束条件如下。
①舱体自重的加载：重力加速度g=9.806m/s2。
②舱内机柜重量的加载：每面机柜重量按500Kg计算，32面机柜总重量为32×500×9.806≈156900N，舱底8#槽钢的承受机柜重量的总面积为（4×8.176×105+ 36×0.352×105）=4.5376×106mm 2，8#槽钢表面上单位面积承受压力为156900 / （4.5376×106） = 0.03458MPa。
在吊装过程中为了保护舱体不受吊绳的摩擦，我们制作了专业的吊杠，根据设计好的吊装方案对预制舱的吊装过程进行仿真分析，找出最薄弱的环节并对薄弱的环节进行方案优化和改进以确保吊装过程的安全可靠。
（2）预制舱吊装工况载荷确定。
根据上一小节计算好的载荷对预制舱进行6点起吊力学仿真分析，得到的结果分别如图4所示。
图4表明：预制舱进行吊装时，预制舱的位移为3.7mm，远远小于24mm（国标要求总跨度的1/500），符合设计要求。
四、结语
本文基于SolidWorks Simulation仿真分析技术，针对新开发的并舱结构预制舱进行了舱体吊装、舱顶积雪、敷冰和12级风三种工况下的强度仿真分析。通过福州恒苍变的实际运行，验证了该分析的可靠性与可行性。为以后预制舱并舱结构设计优化提供了分析方法和理论支持，加快了预制舱产品开发进程。
一、引言
近年来随着国内电力产业的飞速发展，国家电网全面启动标准配送式智能变电站工作，大力推行“标准化设计、工厂化加工、装配式建设”。标准配送式智能变电站取消主控室或操作小室，以预制式组合二次设备舱代替。预制舱是一种新型的电力设备结构载体，在节能环保的同时具有机械强度高、人机操作环境佳且安全可靠性高等特点。由于变电站二次设备在出厂前入舱并完成集成调试，运达现场即可直接投运，改变了原有的现场安装、调试工作方式，具有占地面积小、建设工期短及投资成本低等显著优点，预制舱体将对智能变电站安全、稳定运行起着至关重要的作用。
预制舱需要符合吊装、12级风载荷、积雪和覆冰等严酷工况设计要求。本次设计在结构设计完成后，借助 SolidWorks Simulation仿真分析技术软件，对预制舱结构的强度、12级风载荷及吊装工况下进行仿真模拟分析，确定其强度以满足不同工况下的设计要求。
二、预制舱力学结构介绍
二次设备预制舱是标准配送式变电站的一个重要组成部分，是原来二次设备室的更新换代品，对强度、刚性、密封和保温都有很高要求，为了节省内部空间，提高利用率，有时采用双舱拼接结构，且两舱间不允许有立柱，此种结构在运输、起吊时受到冲击力作用后，结构受力很大。为了保证预制舱的强度，我们采用了32#工字钢作为单舱的承重梁，支撑承重梁的是2根6个厚的方管；底座采用16#槽钢横竖交叉焊接成型的结构，舱体的立柱采用3.0厚钢板弯曲成几字形零件，然后两个几字形零件相扣焊接成一个封闭的立柱型腔。顶框架采用120×60×4的矩形管焊接而成的，顶盖上的支撑梁和立柱形成一个门字形的结构，有效地传递了顶部的载荷。并舱的中间我们增加了连接活立柱，连接活立柱由上立柱、固定板、下立柱、加固块和连接法兰组成，在使用过程中连接活立柱整体安装，用来支撑跨度12米的承重梁，上下法兰分别与底座和承重梁固定，左右固定板将上下立柱连为整体。连接活立柱的固定保证预制舱在运输、起吊过程中强度要求。根据道路运输规范，受实际运输条件的限制，运输时采用单舱运输，到现场后两个单舱进行并舱处理。预制舱就位后，拆卸连接活立柱。该连接活立柱结构在固定预制舱承重梁时连接可靠、强度好、拆卸方便且对预制舱在运输和起吊过程中能起到良好的支撑和加强作用。预制舱并舱结构框架图如图1所示。
三、预制舱不同工况的强度仿真分析
预制舱总重量13.5t，其中舱顶自重2t，每一个机柜按照500Kg共15面机柜计算，其余为舱体自重。舱体材料为普通碳钢，舱体总长为12m，基于以上的结构，利用有限元分析软件对预制舱并舱进行结构力学分析。进行12级风载荷仿真模拟时，采用软件的对称功能，分析结果为双舱体的分析结果，吊装为单舱体计算结果。
1.预制舱舱顶积雪、覆冰工况仿真分析
（1）预制舱积雪、覆冰工况载荷确定。
预制舱工作时须满足冬天冰雪天气，根据GB/T11022—2011要求，预制舱设计时应考虑的覆冰范围从1mm到20mm，但最大覆冰厚度不超过20mm。由于雪的密度（50～100Kg/m 3）远小于冰的密度（900Kg/m 3），故本工况分析时按最恶劣的情况考虑（舱顶覆冰厚度为20mm）。覆冰20mm时产生的压力为709N，如公式（1）所示。
F=mg=ρShg=900Kg/m3×2700×1240×1.2×10-6m2×0.02m ×9.806N/Kg=709N （1）
预装式变电站的外壳应有足够个机械强度，所能耐受的顶部负荷最小值为2500N/m 2（竖负荷或其他负荷）。舱顶承重区域面积为5×8×（2330×80）=7.456×106，将舱顶覆冰厚度重量转换为单位面积上的压力 P=F/S=709/7456000=9.509×10-5MPa。
（2）预制舱积雪积雪、覆冰工况仿真分析结果。
在舱顶施加每平米1000N的作用力来模拟积雪，舱体内部施加32面机柜的重量，施加重力约束，并将舱体的自重也施加上，预制舱底座固定约束进行仿真分析。
图2表明：预制舱在最大覆冰厚度20mm时，预制舱最大的变形量为14mm左右，变形量最大位置主要集中在预制舱顶部的中间区域，大部分区域的变形量为6mm左右，小于24mm（国标要求总跨度的1/500）。仿真分析结果表明：预制舱完全满足积雪覆冰工况的设计要求。
2.预制舱12级风载荷工况下仿真分析
（1）预制舱12级风工况载荷确定。
将12级风等效风压作用在预制舱正面的侧面竖立柱上，相当于在正压区施加12级风所产生的风压力。风压力计算公式如公式（2）所示。
F=0.65v2A（2）
式中，F为风力，单位为牛顿（N）；v为平均风速，单位为米每秒（m/s）；A为平板面积，单位为平方米（m2）。
预制舱长度方向侧板面积 A=12200×2660=32.452m2，12级风在预制舱侧面上产生的风压力为24385N，公式如公式（3）所示。
F=0.65v2A=0.65×342×12200×2660×10-6N≈24385N （3）
（2）预制舱12级风工况仿真分析结果。
将计算好的载荷加载到预制舱的迎风面上，通过有限元分析软件，计算分析得到的位移云图如图3所示。
图3表明：在12级风载荷作用下，预制舱最大的位移为9.5mm，变形量最大位置主要集中在预制舱顶部的中间区域，大部分的区域变形量为5mm左右。仿真分析位移云图结果表明：预制舱在12级风这一工况下，结构强度符合设计要求。
3.预制舱吊装工况仿真分析
（1）预制舱吊装工况载荷确定。预制舱采用6点吊装，载荷、位移约束条件如下。
①舱体自重的加载：重力加速度g=9.806m/s2。
②舱内机柜重量的加载：每面机柜重量按500Kg计算，32面机柜总重量为32×500×9.806≈156900N，舱底8#槽钢的承受机柜重量的总面积为（4×8.176×105+ 36×0.352×105）=4.5376×106mm 2，8#槽钢表面上单位面积承受压力为156900 / （4.5376×106） = 0.03458MPa。
在吊装过程中为了保护舱体不受吊绳的摩擦，我们制作了专业的吊杠，根据设计好的吊装方案对预制舱的吊装过程进行仿真分析，找出最薄弱的环节并对薄弱的环节进行方案优化和改进以确保吊装过程的安全可靠。
（2）预制舱吊装工况载荷确定。
根据上一小节计算好的载荷对预制舱进行6点起吊力学仿真分析，得到的结果分别如图4所示。
图4表明：预制舱进行吊装时，预制舱的位移为3.7mm，远远小于24mm（国标要求总跨度的1/500），符合设计要求。
四、结语
本文基于SolidWorks Simulation仿真分析技术，针对新开发的并舱结构预制舱进行了舱体吊装、舱顶积雪、敷冰和12级风三种工况下的强度仿真分析。通过福州恒苍变的实际运行，验证了该分析的可靠性与可行性。为以后预制舱并舱结构设计优化提供了分析方法和理论支持，加快了预制舱产品开发进程。