基于響應譜法的機柜抗震性能研究

代廷振，顧錦書，高學斌

(南京國電南自電網自動化有限公司，南京 211153)

基于響應譜法的機柜抗震性能研究

代廷振，顧錦書，高學斌

(南京國電南自電網自動化有限公司，南京 211153)

采用有限元分析軟件(ANSYSWorkbench)對某智能電網二次機柜進行模態分析，研究其動力學特性，在此基礎運用響應譜法進行機柜的抗震研究。通過仿真獲得機柜的薄弱環節，并以此進行優化，使抗震機柜薄弱處的變形和應力得到改善進而提高其抗震能力。本文旨在為機柜抗震設計、改進提供一種有效、便捷的方法，同時為后續電子設備地震試驗提供有效的參考數據。

機柜；抗震性能；有限元分析軟件；響應譜法；模擬分析；仿真研究

0 引言

以電網自動化和工業控制、繼電保護及柔性輸電等為代表的智能電網電力二次設備是集監測、通信、控制等于一體化的高度智能化電力設備，是保證電網可靠運行的神經中樞[1]。電子設備機柜作為智能化電子設備的載體，其一般由立柱、橫梁、前后門、側板、插箱等組成[2]，同時要求其具有較高的可靠性。

近年來，我國地質災害頻發，如汶川大地震對四川電網電力設施造成重大損壞[3]。因此，提高機柜的抗震能力，減少地震破壞具有重大的現實意義。本文以某工程要求為依托，以實現其能夠抵抗設防烈度9度為目標，對機柜進行了抗震性能的研究。

1 結構抗震理論

對于結構抗震設計，其主要包括靜力法、響應譜法、時程分析法。其中：靜力法假定結構是剛性的，沒有考慮結構的動力學特性；響應譜法是在靜力學基礎上的進一步發展，考慮結構的動力學特性、地基結構的影響，是結構抗震設計最常用的方法；時程分析法是將實際的地震加速度時程記錄作為動載荷直接輸入，其計算結果精確，但是對計算機要求極高，計算時間久、代價大，實際應用較少[4]。

響應譜表征了地震動加速度時間過程作用于單自由度彈性體系的最大反應(加速度、速度和位移)隨體系的自振特性(周期和阻尼比)變化的函數關系[5]。

在結構抗震設計中，地震響應譜曲線主要由地震影響系數α及重力加速度g來確定，其二者的乘積即為地震響應譜曲線。因此，地震影響系數α的確定是關鍵，本文采用GB 50260—2013《電力設施抗震設計規范》標準規定的地震影響系數曲線，其曲線如圖1所示。

圖1 地震影響系數曲線

由圖1所示，地震影響系數曲線與最大地震影響系數αmax、斜率調整系數η1、阻尼調整系數η2、衰減系數γ及特征周期Tg有關。其中地震影響系數αmax根據工程需要及規范查表取其值為1，η1，η2，γ的值與阻尼比ζ有關，本文取鋼結構的阻尼比ζ為0.05，根據標準內相關公式得出η1，η2，γ，Tg分別為0.02，1.00，0.90，0.40，最終得到地震影響系數的曲線公式如下，其將作為后續地震響應譜輸入到ANSYSWorkbench中進行抗震計算。

2 機柜抗震性能分析

對于機柜抗震分析，采用ANSYSWorkbench為平臺，采用模態(Modal)分析模塊及響應譜(ResponseSpectrum)分析模塊進行計算。模態分析是動力學分析的基礎，響應譜分析即響應譜法，是模態分析的延伸，其主要通過模態得到的固有頻率和振型計算結構對地震或者其他激勵的響應。

2.1 有限元模型的建立

電子機柜主要由鈑金件構成，其尺寸為800mm×600mm×2 200mm，材料為Q235，密度為7 850kg/m3，楊氏模量為2×105MPa，泊松比為0.3；前門玻璃，密度為2 560kg/m3，楊氏模量為7.2×104MPa，泊松比為0.2。本文中對幾何模型進行了適當簡化，比如去除圓角，去除不必要構件，以減少其計算量，同時將機柜內部的機箱簡化為質量點施加到承載面上，將焊接框架及螺釘連接的構件采用綁定約束，對于鉸鏈則采用旋轉運動副進行約束。由于機柜主要由鈑金件構成，其采用實體單元進行網格劃分質量會很差，所以采用抽中面(Mid-surface)將三維實體幾何模型轉換為殼體單元，有助于提高網格質量，同時減少計算量。

2.2 框架模態分析及響應譜分析

模態分析是動力學分析中的一種，其中動力學通用方程為

所以模態的固有頻率與振型只與質量矩陣[M]、結構剛度[K]有關。

本文分別計算未帶加強塊的機柜框架和帶加強塊的機柜框架的模態，其二者的區別為橫梁兩側是否有三角形加強塊，如圖2所示。然后分別對底部地腳螺栓固定處的槽口采用固定約束，最終分別得到100 Hz以內的共振頻率見表1。

圖2 加強塊位置

振型頻率/Hz框架無加強塊框架有加強塊113．08513．742234．36535．389339．67439．721457．39757．137559．60659．612660．17459．886764．85963．650868．41967．798978．78678．6131082．95482．5021188．23788．2381291．06490．720

通過表1可得出，有加強塊機柜框架與無加強塊框架相比，其固有頻率相差不大。因此，增加加強塊對于機柜框架的模態幾乎沒有影響。由于響應譜法是以模態為基礎進行計算的，由于二者模態基本相同，其后續結果均一致，因此后續框架分析均是以無加強塊框架進行分析，不再考慮有加強塊框架的分析。

機柜框架的前三階固有頻率和振型如圖3所示，本文假定前后門方向為X軸，側門方向為Y軸，豎直方向為Z軸，其前三階振型分別為沿Y軸方向的彎曲、X軸方向的彎曲及沿Z軸方向的扭轉。其中第1階與第2階頻率相差較大，在20 Hz左右，說明沿X軸方向的結構剛度遠高于沿Y軸方向的結構剛度，也從側面證明X軸方向結構剛度已足夠大，因此在其方向上添加加強塊對結果影響不大。

圖3 機柜框架前三階振型

在得到模態分析結果之后，將地震影響系數曲線函數輸入到ANSYS Workbench。在分析設置中設定為單點激勵，并在加速度激勵中將邊界條件設置為All BC support，即所有固定點均受到響應譜的激勵，并分別計算X軸方向和Y軸方向的變形量和等效應力，得到結果如圖4所示。

圖4 機柜變形量和應力值

圖5 傳統機柜變形及應力

通過框架分析可以得出，其在X方向響應譜激勵時，得到的變形量為最大值0.25 mm，應力最大值為23.0 MPa。在Y方向響應譜激勵時，得到的變形量為最大值1.70 mm，應力最大值為142 MPa。其中最大變形均發生在頂部部分，相對于2 200 mm的高度其變化量很小，最大應力值均產生在地腳螺栓固定處，遠遠小于屈服強度235 MPa，能夠滿足抗9級烈度地震的要求。

2.3 機柜模態分析及響應譜分析

傳統機柜的前后門是由上下門軸進行連接的，其側門下部通過定位銷連接，上部通過兩個翻板鎖連接。對其進行模態分析后，其前18階模態結果見表2，共振頻率較低且大部分均為前后門、側門、頂蓋的局部共振，第18階模態為整體共振，共振頻率為30 Hz。

與框架響應譜分析相同，其分析結果如圖5所示，其在X方向響應譜激勵時，得到的變形量為最大值4.0 mm，應力最大值為210.0 MPa。在Y方向響應譜激勵時，得到的變形量為最大值3.5 mm，應力最大值為58.0 MPa。其中，最大變形分別發生在側門和前后門處，最大應力值均產生在鎖桿連接處。由于鎖桿與框架之間簡化為綁定約束，其實際應力值會比計算值偏小，此處僅做參考。

針對以上分析結果，發現前門、后門、側門部分變形較大，因此本文對前后門改為鉸鏈固定，同時增加連接點數量；側門連接改為螺栓連接，并增加固定點，如圖6所示。改進后的模態結果見表3，其中20 Hz以下的前后門、側門的局部共振大部分得到抑制，其第1階固有頻率也由9.9 Hz提高到12.2 Hz，整體共振頻率為18階，也稍有提高。

表2 傳統機柜模態仿真結果

其響應譜分析相同分析結果如圖7所示，其在X方向響應譜激勵時，得到的變形量由最大值4.0 mm減小為2.5 mm，應力最大值由210.0 MPa減小為164.0 MPa。在Y方向響應譜激勵時，變形量為最大值由3.5 mm減小為0.9 mm，應力最大值由58.0 MPa減小為50.0 MPa，變化不明顯。其中，最大變形和最大應力值發生位置與傳統型相同。通過增加連接點數量改進之后，可以得出機柜的前后門、側門的變形量、應力較改進前進一步減小，提高了抗震性能。

圖6 改進型機柜前門和側門

振型頻率/Hz振型頻率/Hz112．2151031．075218．4561132．784321．541233．274424．7541336．185525．5321436．227625．8881536．663727．6011640．658827．6751740．992930．6671841．058

圖7 改進型機柜變形及應力

3 結論

本文采用ANSYS Workbench對二次機柜進行了模態分析及響應譜分析以驗證其抗震性能。通過仿真得到以下結論：(1)框架側橫梁處安裝加強塊對框架模態和抗震性能的提高無顯著影響；(2)在前門、后門、側門部分增加連接點，有助于其固有頻率的提高，改善其抗震性能。

本文通過響應譜法對機柜進行仿真，為機柜抗震設計提供了一種便捷方法，同時為后續機柜抗震試驗提供了數據參考。

[1]祝德春,韓德斌,周桂生,等.基于模態試驗與有限元的電力機柜動力學分析[J].城市建設理論研究：電子版,2013(35):58-61.

[2]何小兵，張赤斌，顏肖龍.車載電子機柜的動力學分析[J].機械工程與自動化,2006(1):46-48.

[3]劉凡,周思宇,劉曦,等.汶川大地震四川電網輸變電設備受災情況研究[C]// 中國電機工程學會年會,2008.

[4]劉笑天.ANSYS Workbench結構工程高級應用[M].北京：中國水利水電出版社，2015.

[5]袁一凡，田啟文.工程地震學[M].北京：地震出版社，2012.

(本文責編：齊琳)

2017-04-11；

2017-05-10

TN

A

1674-1951(2017)07-0011-04

代廷振(1989—)，男，山東濟寧人，助理工程師，從事電力系統電子設備結構設計、研究、開發方面的工作(E-mail:tingzhen-dai@sac-china.com)。

顧錦書(1988—)，男，江蘇鹽城人，助理工程師，從事電力系統電子設備結構設計、研究、開發方面的工作。

高學斌(1988—)，男，江蘇南京人，助理工程師，從事電力系統電子設備結構設計、研究、開發方面的工作。