高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)熱失效有限元仿真

郭競(jìng)杰

（福建省交通建設(shè)工程監(jiān)理咨詢有限公司，福建福州350002）

0 引言

高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)是一個(gè)系統(tǒng)的、全面的多方位控制系統(tǒng)，我國(guó)對(duì)于常見(jiàn)的通風(fēng)、排水、亮化、監(jiān)督、防災(zāi)等常規(guī)特征的管理，大多還是參考國(guó)外的管理經(jīng)驗(yàn)，但我國(guó)的山體土質(zhì)情況、空氣濕度、環(huán)境溫度等參數(shù)和國(guó)外有一定的差異，并且我國(guó)地域遼闊、四季溫差和南北溫差較大，因此對(duì)于機(jī)電系統(tǒng)熱失效的研究我們應(yīng)該有自己的知識(shí)體系。

1 隧道機(jī)電系統(tǒng)熱失效造成的影響

為了保證高速公路的正常運(yùn)營(yíng)，給人們的出行帶來(lái)方便，必須對(duì)隧道機(jī)電系統(tǒng)的熱失效問(wèn)題進(jìn)行分析。隧道機(jī)電系統(tǒng)主要包括通信系統(tǒng)、收費(fèi)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)。原理是采用溫度傳感器、光電傳感器、計(jì)算機(jī)、控制電路板等電子設(shè)備進(jìn)行工作。由于電子設(shè)備在工作的過(guò)程中會(huì)由于焦耳效應(yīng)產(chǎn)生一定的熱量，不僅會(huì)縮短電子設(shè)備的使用壽命，更嚴(yán)重的是還會(huì)導(dǎo)致電子設(shè)備工作失效。高速公路的車輛速度較快，若是照明系統(tǒng)或監(jiān)控系統(tǒng)電子設(shè)備由于熱失效而停止工作，將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的后果。隧道基本是建立在山丘地區(qū)，或者湖泊、海洋的下方，一旦由于電子設(shè)備的溫度過(guò)高引起火災(zāi)，消防人員將無(wú)法有效開(kāi)展工作，這也是潛在的隱患。綜上所述，隧道機(jī)電系統(tǒng)熱失效造成的后果十分嚴(yán)重，無(wú)論是為了保障高速公路的正常運(yùn)行，還是為了保證人民群眾的財(cái)產(chǎn)安全，對(duì)隧道機(jī)電系統(tǒng)熱失效進(jìn)行分析研究都十分必要。

2 ANSYS有限元仿真分析

ANSYS是國(guó)外大型有限元仿真分析軟件，近年來(lái)在我國(guó)的各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，其極大地縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，也有效降低了產(chǎn)品的研發(fā)成本。本文將利用ANSYS軟件對(duì)高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)熱失效問(wèn)題進(jìn)行模擬仿真。

2.1 熱失效模型的建立

焦耳熱是指電子設(shè)備在通電過(guò)程中，需要克服內(nèi)部電阻做功而產(chǎn)生的熱量。電子設(shè)備的焦耳內(nèi)阻主要包括組成電子設(shè)備各種材料的自身內(nèi)阻及各部件材料之間接觸所產(chǎn)生的電阻。

焦耳熱Qj的表達(dá)式是：

式中，I表示電流大小；Rj表示焦耳內(nèi)阻。

高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)電子設(shè)備的主要散熱模式為對(duì)流換熱，其影響因素較多，為了便于分析和計(jì)算，以牛頓冷卻公式為其基本計(jì)算公式，即：

式中，Φ為換熱量（W）；h為表面換熱系數(shù)[W/（m2·K）]；A為換熱面積（m2）；Δt為對(duì)流換熱溫差（℃），即固體壁面平均溫度tw和流體平均溫度tf的差值。

該計(jì)算式也可以改成為：

式中，Rw為對(duì)流換熱熱阻（m2·K/W）。

2.2 仿真模型的選取和建立

在通信系統(tǒng)、收費(fèi)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)中，照明系統(tǒng)的耗電量較大，因此其控制板通過(guò)的電流也較大。本文主要以照明系統(tǒng)的控制板為例進(jìn)行模擬仿真，為了加快計(jì)算機(jī)求解的速度，刪除了一些不必要的結(jié)構(gòu)，將照明系統(tǒng)的控制板簡(jiǎn)化為一個(gè)長(zhǎng)方體，其主要參數(shù)和等效數(shù)值如表1所示。

表1 電子設(shè)備內(nèi)部各組分密度和導(dǎo)熱系數(shù)

建立的等效長(zhǎng)方體的主要外部尺寸為：300 mm×400 mm×200 mm，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后的模型如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格劃分

2.3 邊界條件的添加與求解

在網(wǎng)格劃分完成以后，將進(jìn)行邊界條件的添加。首先模擬在高溫的夏天，環(huán)境溫度為40℃，高速公司隧道機(jī)電系統(tǒng)控制箱體大電流持續(xù)工作且不添加任何散熱設(shè)備的情況下的溫升情況，求解后的結(jié)果如圖2所示。

此時(shí)控制箱的最高溫度為74℃，其位置為控制箱的中間部位，盡管控制箱的四周散熱效果較好，但是其溫度也達(dá)到了48℃，在這樣的溫度環(huán)境下，其控制線路極易老化，并且發(fā)生火災(zāi)的概率也較大。

圖2 夏季40℃控制箱溫升情況

其次，模擬在春天、秋天，環(huán)境溫度為25℃，高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)控制箱體大電流持續(xù)工作且不添加任何散熱設(shè)備的情況下的溫升情況，求解后的結(jié)果如圖3所示。

圖3 春季、秋季25℃控制箱溫升情況

此時(shí)控制箱的最高溫度為34℃，其位置為控制箱的中間部位，控制箱四周的溫度達(dá)到了26℃，在這樣的溫度環(huán)境下，其控制線路存在老化的風(fēng)險(xiǎn)，并且也具有發(fā)生火災(zāi)的可能。

最后，模擬在冬天，環(huán)境溫度為0℃，高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)控制箱體大電流持續(xù)工作且不添加任何散熱設(shè)備的情況下的溫升情況，求解后的結(jié)果如圖4所示。

圖4 冬季0℃控制箱溫升情況

此時(shí)控制箱的最高溫度為28℃，其位置為控制箱的中間部位，控制箱四周的溫度達(dá)到了24℃，在這樣的溫度環(huán)境下，其控制線路不存在老化的風(fēng)險(xiǎn)，并且也不具有發(fā)生火災(zāi)的可能。

綜合上述情況可以發(fā)現(xiàn)，夏季為高速公路隧道機(jī)電控制系統(tǒng)熱失效的主要季節(jié)，春季、秋季也存在一定的線路老化和發(fā)生火災(zāi)的可能，冬季基本不用考慮機(jī)電系統(tǒng)熱失效的問(wèn)題。

2.4 熱失效問(wèn)題的改善和優(yōu)化

為了避免高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)出現(xiàn)熱失效的問(wèn)題，需要對(duì)發(fā)熱量較大的設(shè)備添加散熱設(shè)備，例如風(fēng)扇散熱、液冷散熱、相變材料散熱，并且應(yīng)將發(fā)熱量較大的控制箱安裝固定在通風(fēng)環(huán)境下，避免安置在閉塞的墻體內(nèi)部。經(jīng)過(guò)加裝散熱設(shè)備后，再次模擬夏季40℃環(huán)境溫度下控制箱的溫升情況，求解結(jié)果如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后控制箱的溫升情況

此時(shí)控制箱的最高溫度為29℃，其位置為控制箱的中間部位，控制箱四周的溫度為24℃，在這樣的溫度環(huán)境下，其控制線路不存在老化的風(fēng)險(xiǎn)，并且也不具有發(fā)生火災(zāi)的可能。

3 結(jié)語(yǔ)

在高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)的管理過(guò)程中，要充分重視熱失效引發(fā)的問(wèn)題，并且還要做好系統(tǒng)的維護(hù)工作，加強(qiáng)對(duì)機(jī)電設(shè)備維護(hù)人員的專業(yè)性培訓(xùn)。對(duì)于溫度過(guò)高的控制系統(tǒng)要加裝有效的散熱設(shè)備，以保證隧道機(jī)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。