基于振動沖擊響應的船用大容量配電板結構優化設計

洪德新

(中國船舶電站設備有限公司， 上海200129)

0 引 言

隨著綜合電力推進技術和造船技術的飛速發展，船舶自動化、電氣化水平越來越高，船舶電力系統也由過去的輔助系統變為主要系統，船載系統對電力的需求呈幾何級數增長。

一個等級的系統電壓通常有一個功率極限，超過這個極限需提高電壓等級。20世紀70年代有研究資料表明，若電站電壓等級為400 V，則功率極限為3～5 MW，再提高容量就得提高電站電壓等級。本研究對象就是低壓電力系統下的大容量電站配電設備。

1 國內外研究動態

為滿足低壓大容量電站的實際需求，對大容量船用配電板進行設計與工藝研究必不可少。為保證配電板柜體在船上的振動沖擊環境下不損壞，保障船上人員的安全和設備的完整性，對配電板柜體進行振動沖擊模擬計算，以優化柜體設計，檢驗柜體的安全性。

在船舶電子設備振動和沖擊研究中，美國率先制定了關于船舶振動的標準，并于1954年頒布《船用設備的機械振動標準》。其他西方發達國家也相繼開展對船舶電子設備的動態性能研究。中國于20世紀80年代開始這些方面的研究，并制定相關方法等，在船舶振動沖擊方面也取得了不少成果[1-3]。2009年，中國人民解放軍總裝備部批準制定《軍用裝備實驗室環境試驗方法》，介紹軍用裝備實驗室振動和沖擊等試驗要求、試驗過程和結果分析的內容[4]。

振動沖擊模擬計算最常用的方法是有限元法。有限元法在四五十年間迅速發展，已成為結構分析的必需工具之一。利用有限元法對一般結構進行振動響應分析或隨機譜分析已經比較成熟, 尤其對低頻振動響應分析較為有效[5]。在有限元計算中，對模型進行簡化處理并合理地劃分有限元網格，既可以得到相對精確的計算結果，又可以減少計算量以節約計算時間[6-7]。國內外學者采用有限元方法對船舶電子設備進行大量的動態響應分析[8-9]。

在初步方案確認后，采用仿真軟件對配電板進行建模，分析配電板受力情況，模擬振動沖擊時的配電板應力分布狀況，對配電板的結構進行后續優化設計，使配電板整體結構滿足振動沖擊要求。著重介紹大容量船用配電板柜體強度分析，以便在配電板施工設計時充分考慮變形因素，具有十分重要的工程意義。

2 有限元建模

根據配電板柜體Solidworks模型，建立有限元模型。柜體三維模型如圖1所示。

圖1 配電板柜體的三維模型

在有限元模型中，側封板、后眉板、面板、頂板和三角襯板等結構采用ANSYS的板單元，標準條架、橫框、豎框、銅線排和門的加強筋等框架結構采用梁單元，斷路器、控制器和擴展模塊采用體單元，底部的隔振器簡化為彈簧單元。具體的有限元模型如圖2～圖4所示。

圖2 整體有限元模型

圖3 z橫框幾何模型

圖4 z橫框有限元模型

側板、后眉板和頂板等結構通過部分螺栓與框架連接，在有限元模型中采用耦合節點的方法在螺栓連接處將板結構與框架連接，其他區域結構不連接；斷路器和控制單元的模型通過螺栓固定至安裝板上，在有限元模型中將螺栓連接的節點采用耦合方式將體單元與板單元連接；門板和框架的連接采用耦合節點Ux、Uy、Uz、Rx、Ry自由度，釋放繞z軸旋轉的自由度Rz。耦合結果如圖5和圖6所示。

圖5 模型節點的耦合

圖6 整體有限元模型中的耦合模型

柜體與固定物之間的隔振器采用彈簧連接進行模擬，每2個點之間有3個方向，共3根彈簧，用于表示隔振器，如圖7所示。

圖7 隔振器的彈簧表示

在計算分析中所選用材料的屬性如表1所示，其中，絕緣塑料的屬性由供應商的檢測報告提供。

表1 材料屬性

3 振動沖擊載荷

3.1 掃頻要求

安裝在船舶上的設備振動試驗要求如表2所示。

表2 振動環境

3.2 柜體在不同沖擊環境下的沖擊響應以及響應度校核

柜體按其在船舶上的安裝區域不同可分為3類[10-11]：

I類安裝區域的設備。指安裝在01甲板以下的船舶主要構件(包括01甲板以下船體外板或扶強材、主隔壁、內底和雙層底頂板)上的設備。

II類安裝區域的設備。指安裝在01甲板以下各層甲板(含01甲板)、01甲板以下圍壁、01甲板以上主隔壁和舷側外板部位的設備。

III類安裝區域的設備。指安裝在01甲板以上各層甲板(不含01甲板)和01甲板以上隔壁和側壁板部位的設備。

I、II、III類設備的設計沖擊環境，如表3所示。

表3 設備設計沖擊譜

配電板柜體的安裝位置在I類安裝區域，因此按照I類設備機型進行3向沖擊計算。

對于質量大于5 t的隔離系統，沖擊譜速度和加速度還需折減：

(1)

(2)

式中：m0為設備質量，m0=5 t；m為被檢查設備質量，t；A0和v0分別為與標準設備質量m0對應的加速度和速度值。

將設計沖擊譜轉換成組合三角波沖擊信號，如圖8所示。

圖8 沖擊組合三角波

假設設計沖擊譜位移、速度和加速度分別為D、V、a，則組合三角數學表達式如下：

(1) 加速度(mm·ms-2)為

(3)

(2) 速度(mm·ms-1)為

(4)

(3) 位移(mm)為

(5)

4 結果與分析

4.1 掃頻分析

在振動計算時，根據表1輸入相應的振動激勵，在3個自由度方向(x為背向，y為側向，z為垂向)計算相應條件下的穩態響應，給出柜體結構的最大應力，作為強度校核的參考。最大應力處由圓圈和箭頭標示。

在強度校核時，Q235碳鋼的屈服應力取235 MPa，安全因數取n=1.5，能承受的最大屈服應力為

(6)

4.1.1x方向掃頻分析

圖9～圖11分別為在峰值頻率下配電板柜體外板的應力圖。

圖9 6Hz時外板應力(x方向掃頻)

圖10 10Hz時外板應力(x方向掃頻)

圖11 20Hz時外板應力(x方向掃頻)

由圖9～圖11可知，配電板柜體外板的最大應力值都遠小于碳鋼許用應力值。

4.1.2y方向掃頻分析

圖12～圖14分別為在峰值頻率下配電板柜體外板的應力圖。

圖12 6Hz時外板應力(y方向掃頻)

圖13 11Hz時外板應力(y方向掃頻)

圖14 20Hz時外板應力(y方向掃頻)

由圖12～圖14可知，配電板柜體外板的最大應力值都遠小于碳鋼許用應力值。

4.1.3z方向掃頻分析

圖15～圖17分別為在峰值頻率下配電板柜體外板的應力圖。

圖15 6Hz時外板應力(z方向掃頻)

圖17 23Hz時外板應力(z方向掃頻)

由圖15～圖17可知，配電板柜體外板的最大應力值都遠小于碳鋼許用應力值。

4.2 沖擊計算

按照要求對配電板柜體進行3個方向的沖擊分析，按照設計沖擊譜的要求，將沖擊譜轉化為組合三角波的沖擊曲線，將加速度的時歷曲線轉換為位移的時歷曲線。施加的沖擊加速度和沖擊位移隨時間變化[12-13]，如圖18～圖21所示。

圖18 垂向沖擊加速度時歷曲線

圖19 側向和背向沖擊加速度時歷曲線

圖20 垂向沖擊位移時歷曲線

圖21 側向和背向沖擊位移時歷曲線

根據沖擊計算結果，計算典型節點在沖擊過程中的最大加速度和最大應力，計算整理結果如表4所示。

表4 沖擊計算結果

通過計算可知，對于框架上的板來說，在進行z向沖擊時，最大應力為56.5 MPa，集中在側板底部和框架連接的螺栓處。

5 結 語

對配電板柜體進行掃頻分析，3個方向掃頻結果顯示柜體外板最大應力值小于碳鋼許用應力值。

在進行z向沖擊時，最大應力為56.5 MPa，集中在側板底部和框架連接的螺栓處。雖然應力沒有超過碳鋼許用應力，但在實際生產制造中對該處的連接可作適當加強。