變頻器機(jī)柜振動(dòng)特性有限元分析和試驗(yàn)驗(yàn)證

朱大巍 秦建忠 李杰

摘要：

根據(jù)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求，利用ANSYS建立變頻器機(jī)柜的有限元模型，獲得結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率和沖擊載荷下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證變頻器機(jī)柜有限元模型的可靠性。分析變頻器機(jī)柜的振動(dòng)特性，結(jié)果表明：變頻器機(jī)柜頂部減振器安裝位置受到的沖擊能量較大，機(jī)柜內(nèi)部的沖擊能量較小，機(jī)柜內(nèi)設(shè)備可得到有效防護(hù)。

關(guān)鍵詞：

變頻器機(jī)柜； 沖擊響應(yīng)； ANSYS； 有限元； 振動(dòng)特性

中圖分類號(hào)： U665

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Finite element analysis and its test verification on

vibration characteristics of converter cabinet

ZHU Dawei1， QIN Jianzhong2， LI Jie1

（

1. Shanghai Branch， Tianjin Aerospace Reliability Technology Co.， Ltd.， Shanghai 201199， China；

2. KTK Group Co.， Ltd.， Changzhou 213000， Jiangsu， China）

Abstract：

According to the vibration test standard of the electronic equipment structure， a finite element model of converter cabinet is built by ANSYS. The modal frequency of structure and the structural response under shock loading are obtained. Compared with the test results， the reliability of finite element model of converter cabinet is verified. The vibration characteristics of converter cabinet are analyzed. The results show that there is larger shock energy on the top of the inverter cabinet and smaller inside. The equipment in the cabinet can be effectively protected.

Key words：

converter cabinet； shock response； ANSYS； finite element； vibration characteristic

收稿日期： 2017-11-07

修回日期： 2018-01-21

作者簡(jiǎn)介：

朱大巍（1985—），男，江蘇宿遷人，工程師，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)振動(dòng)及噪聲，（E-mail）zhudw@relialab.com

0 引 言

變頻器是船舶的重要設(shè)備之一，其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性直接影響船舶動(dòng)力系統(tǒng)的可靠性。[1]在變頻器設(shè)計(jì)階段，需要建立準(zhǔn)確的數(shù)值模型，分析其主結(jié)構(gòu)的振動(dòng)沖擊特性。

近年來，計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)不斷進(jìn)步，大型商業(yè)有限元軟件功能日益完善，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在研究產(chǎn)品振動(dòng)特性和沖擊特性方面表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)，在設(shè)計(jì)過程中得到越來越多的應(yīng)用。孟慶鵬等[2]基于艦載機(jī)柜抗沖擊設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行機(jī)柜抗沖擊仿真分析，校核機(jī)柜的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度?？滴睦萚3]基于HyperWorks研究機(jī)柜底部安裝孔位處安裝剛度對(duì)機(jī)柜抗震性能的影響。于坤鵬等[4]基于Abaqus分析過載、沖擊、隨機(jī)振動(dòng)等條件下機(jī)柜的剛度和強(qiáng)度并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。變頻器的實(shí)際結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，部件連接方式多樣，若結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化或連接方式處理不當(dāng)，則會(huì)影響有限元計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此有必要用試驗(yàn)結(jié)果對(duì)有限元分析進(jìn)行校核和驗(yàn)證。準(zhǔn)確的有限元模型可以用于指導(dǎo)類似結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性分析、結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)估和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文基于變頻器機(jī)柜的三維CAD模型，采用HyperMesh建立其有限元模型，導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行模態(tài)分析和沖擊響應(yīng)計(jì)算，并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證有限元結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 變頻器機(jī)柜結(jié)構(gòu)

變頻器機(jī)柜安裝示意見圖1。機(jī)柜支撐框架主要由槽鋼焊接而成，電子設(shè)備通過螺栓連接到安裝支座上，安裝支座與支撐框架通過焊接方式連接，支撐框架外部通過螺栓連接柜體面板。變頻器機(jī)柜通過減振器連接到船體上。

圖 1 變頻器機(jī)柜安裝示意

2 變頻器機(jī)柜有限元模型

對(duì)于變頻器結(jié)構(gòu)，除起承載作用的支撐框架外，還有很多用于安裝、封閉等其他用途的構(gòu)件。由于這些構(gòu)件與支撐框架的連接是點(diǎn)連接方式，對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度影響較小，因此在力學(xué)分析中，通常要求只對(duì)結(jié)構(gòu)的主要支撐構(gòu)件進(jìn)行分析而不計(jì)其他構(gòu)件的作用。在有限元模型中，采用殼單元模擬支撐結(jié)構(gòu)，質(zhì)量單元模擬設(shè)備質(zhì)量，彈簧單元模擬減振器。設(shè)備和減振器與支撐結(jié)構(gòu)的連接采用剛性連接方式。變頻器支撐框架有限元模型見圖2。

模型共有17萬個(gè)單元、15萬個(gè)節(jié)點(diǎn)。模態(tài)計(jì)算時(shí)，約束減振器與安裝基礎(chǔ)連接點(diǎn)所有自由度。采用大質(zhì)量法[5]進(jìn)行沖擊計(jì)算，約束減振器與安裝基礎(chǔ)連接點(diǎn)非沖擊振動(dòng)方向所有自由度，在沖擊方向上施加沖擊力載荷。支撐結(jié)構(gòu)的材料為Q345E，材料參數(shù)見表1。減振器的動(dòng)剛度采用生產(chǎn)廠家提供的參數(shù)。

圖 2 變頻器支撐框架有限元模型

表 1 Q345E材料參數(shù)

3 變頻器機(jī)柜試驗(yàn)

3.1 掃頻試驗(yàn)

將變頻器機(jī)柜通過工裝安裝在振動(dòng)臺(tái)上，在頂部減振器附近放置加速度傳感器。通過控制儀控制激勵(lì)輸入，測(cè)得振動(dòng)幅值，得到變頻器的共振頻率。掃頻試驗(yàn)見圖3。

圖 3 掃頻試驗(yàn)

3.2 沖擊試驗(yàn)

根據(jù)GJB 150.18—1986《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法——沖擊試驗(yàn)》，裝有試件的過渡安裝架通過螺栓剛性安裝在中型沖擊機(jī)支撐槽鋼上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)（見圖4）。變頻器機(jī)柜上共布置3個(gè)加速度測(cè)點(diǎn)，分別位于支撐結(jié)構(gòu)靠近底部減振器附近、水管上和支撐結(jié)構(gòu)頂部減振器附近。

圖 4 沖擊試驗(yàn)

4 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

4.1 頻率對(duì)比

計(jì)算固有頻率和掃頻試驗(yàn)得到的共振頻率結(jié)果見表2，計(jì)算誤差在可接受范圍內(nèi)。產(chǎn)生誤差的主要原因有以下2個(gè)方面：（1） 模型簡(jiǎn)化，焊接部位采用共節(jié)點(diǎn)的方式，與實(shí)際情況略有不同；（2） 共振頻率受到掃頻試驗(yàn)的影響，得到的結(jié)果與實(shí)際頻率有微小偏差。

表 2 計(jì)算固有頻率和試驗(yàn)共振頻率

4.2 沖擊響應(yīng)計(jì)算和對(duì)比

由于沖擊響應(yīng)的計(jì)算結(jié)果需要與試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，因此采用實(shí)際測(cè)得的加速度作為激勵(lì)輸入進(jìn)行沖擊計(jì)算。

沖擊輸入波形見圖5，將其作為激勵(lì)加速度施加到有限元模型上，計(jì)算加速度傳感器測(cè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)。根據(jù)瑞利阻尼公式[6-7]可得

α=4×π×f1×f2×ηf1+f2×0.476 6

（1）

β=ηπ×f1+f2=2.07×10-4

（2）

式中：α和β分別為質(zhì)量比例因數(shù)和剛度比例因數(shù)；f1和f2分別為第1和2階固有頻率，分別取7.55和7.63 Hz；η為阻尼比，根據(jù)沖擊響應(yīng)波形和仿真響應(yīng)波形，取0.01。

測(cè)點(diǎn)1～3的試驗(yàn)與計(jì)算加速度對(duì)比分別見圖6～8。由此可見，加速度的試驗(yàn)值與計(jì)算值的變化規(guī)律基本相同，只是在數(shù)值上有所差異，且這種差異在工程上是可以接受的。在某些時(shí)間區(qū)域上，試驗(yàn)值和計(jì)算值的變化不相同，可能是機(jī)柜內(nèi)的設(shè)備與假設(shè)不符，并不具備足夠剛度導(dǎo)致的，從總體來看，認(rèn)為可將機(jī)柜內(nèi)部設(shè)備簡(jiǎn)化為質(zhì)量點(diǎn)。

圖 5 沖擊輸入波形

圖 6 測(cè)點(diǎn)1的試驗(yàn)與計(jì)算加速度對(duì)比

圖 7 測(cè)點(diǎn)2的試驗(yàn)與計(jì)算加速度對(duì)比

圖 8 測(cè)點(diǎn)3的試驗(yàn)與計(jì)算加速度對(duì)比

5 機(jī)柜沖擊特性

機(jī)柜沖擊最大加速度見圖9。在31和168 ms時(shí)，機(jī)柜沖擊速度達(dá)到最大值，對(duì)應(yīng)的加速度云圖分別見圖10和11。變頻器機(jī)柜沖擊能量集中在頂部減振器與機(jī)柜框架的連接處，機(jī)柜內(nèi)部的沖擊能量較小，證明變頻器機(jī)柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能有效保護(hù)內(nèi)部設(shè)備。

圖 9 機(jī)柜沖擊最大加速度

圖 10 31 ms時(shí)機(jī)柜加速度云圖

圖 11 168 ms時(shí)機(jī)柜加速度云圖

6 結(jié)束語

基于ANSYS建立船舶所用某型號(hào)變頻器機(jī)柜有限元模型，進(jìn)行模態(tài)分析和沖擊載荷下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，并與試驗(yàn)測(cè)試共振頻率和沖擊響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：（1） 建立的有限元模型能充分反映變頻器機(jī)柜的振動(dòng)及沖擊特性；（2） 有限元的模態(tài)計(jì)算和沖擊響應(yīng)結(jié)果具有較好的準(zhǔn)確性，能夠應(yīng)用于工程實(shí)際中?；谠撚邢拊Ｐ头治鰶_擊載荷下機(jī)柜的振動(dòng)特性，分析結(jié)果表明：該機(jī)柜可以有效保護(hù)內(nèi)部設(shè)備。

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