基于有限元法分析逆變器柜體靜強度

王野

中車大連電力牽引研發中心有限公司 遼寧 大連 116000

最近幾年，隨著社會經濟水平的不斷提高和鐵路運輸行業的不斷發展，我國對逆變器柜體質量提出了更高的要求，使得逆變器柜體具有重量輕、體積小、品質好等特征。逆變器柜體設計在電氣傳動性能優化方面發揮出重要作用，不僅確保電氣設備能夠可靠、穩定、安全地運行，還能實現電子元件與電器元件的充分結合，因此，為了提高電氣設備的運行性能，在有限元法分析法的應用背景下，如何科學處理逆變器柜體靜強度是相關人員必須思考和解決的問題。

1 有限元分析法概述

有限元法分析法首先需要采用離散處理的方式，將實體幾何劃分成若干個小單元，然后，將各個單元的節點進行有效連接，形成一個新的有限元模型，接著，對復雜結構進行拆分處理，使其轉化為簡單的有限元問題[1]，最后，采用歸納求解的方式，將有限元問題轉化為線型方程問題。在對單元網格進行劃分的過程中，相關人員要靈活運用有限元思想，科學調整和控制柜體結構形狀以及尺寸大小，使得復雜的幾何模型問題變得更加簡單化，為后期高效地處理幾何模型打下堅實的基礎。此外，還要充分利用有限元思想的易于理解性和計算結果高精度性等特征，有效地解決項目工程中出現的各種應力分析問題。

2 逆變器柜體靜強度分析

2.1 建模注意事項

在構建柜體有限元模型的過程中，相關人員要充分利用Hypermesh軟件，從以下幾個方面入手，選擇合適的單元，對柜體結構進行仿真處理，以保證預期應力計算結果可靠性和準確性，只有這樣，才能保證柜體有限元模型構建的科學性和合理性。

2.2 模型簡化

實體模型簡化處理作為建立柜體有限元模型的首要環節，在具體的實施中，需要相關人員在參照物理模型的基礎上，完成對柜體力學模型的創建。同時，在對實體模型進行導入操作之前，需要在綜合考慮建模時間和計算結果準確性的前提下，根據實際需求，完成對實體模型的科學簡化，確保所簡化的實體模型能夠真實有效地反映出原有柜體結構力學特性，此外，還要盡可能提高虛擬仿真結果的可靠性[2]。

2.3 網格劃分

網格單元劃分質量直接影響了柜體有限元模型計算結果的可靠性和準確性，因此，相關人員要從網格數量控制和網格疏密性調整兩個環節出發，完成對網格的合理劃分。在控制網格數量的過程中，相關人員要針對最終的計算結果，對數值仿真結果進行科學調整，確保網格數量與計算結果的精確度之間存在正相關關系，此外，還要保證所設置的網格數量具有較高的經濟性和實用性，為后期更好地優化網格，提高計算結果的精確性打下堅實的基礎。網格疏密性控制主要是指針對柜體結構的應力大小，對單元網格進行科學劃分，以達到提高計算結果可靠性和真實性的目的，同時，對于應力比較集中的網格，要將其劃分為比較細密的網格，對于承受應力較小的單元網格，需要將其劃分為比較疏松的單元網格。

2.4 建立柜體有限元模型

2.4.1 有限元模型。逆變器柜體主要由以下兩個部分組成，分別是鈑金件、和方鋼，然后，在逆變器柜體板上安裝多種的電器設備，如電子電容器、散熱膜、控制箱等。同時，在結合幾何模型的基礎上，通過使用proE軟件，對STP格式進行轉換，使其變為IGES格式，然后，使用相關設計軟件，以劃分單元的方式，對逆變器柜體進行離散處理，從而得到如圖1所示的柜體有限元模型，此外，還要盡可能提高柜體有限元模型的構建水平，為保證后期仿真計算結果的可靠性和準確性提供重要的依據和參考。

圖1 柜體有限元模型

2.4.2 材料性能。本次所選用的柜體材料為06Cr19Ni10，該柜體材料性能參數如表1所示。

表1 材料性能參數

2.4.3 計算工況及約束邊界條件。逆變器柜體在具體的使用中，需要將其放置于吊耳附近，同時，還要將八個螺栓安裝和固定在柜體底架橫梁上，確保柜體與車體之間不出現相對運動，此外，還要將螺栓孔設置為六個不同大小的自由度，接著，嚴格按照EN6137施加相關標準和要求，完成柜體計算荷載的統計和匯總，然后，在慣性力的作用下，確保柜體的應力水平達到正常狀態。

2.5 有限元靜力分析

2.5.1 靜力分析步驟。為充分發揮有限元分析法的應用優勢，相關人員要嚴格按照以下操作步驟，完成有限元靜力的科學分析。①柜體有限元模型的科學創建。在這一環節中，相關人員要將幾何模型、定義材料、網格劃分等相關信息輸入到指定的系統中，以達到成功建模的目的。②柜體荷載施加與求解。在這一環節中，相關人員要采用施加載荷的方式，根據設定好的約束條件，完成對靜力分析結果的計算和匯總。③結果查看。為了檢驗最終計算結果的可靠性和準確性，相關人員要認真檢查分析結果，一旦發現計算結果誤差偏大，要及時糾正，避免因計算結果不準確而影響后期逆變器柜體靜強度控制水平。

2.5.2 計算結果分析。在分析最終計算結果的過程中，相關人員要在充分結合逆變器柜體結構特點和運行環境的基礎上，對柜體有限元網格構建質量進行檢驗，以保證有限元網格設計符合相關標準和要求，只有這樣，才能確保車體與柜體連接的穩定性、可靠性和安全性。此外，相關人員還要根據電子元件使用需求，借助柜體結構，不斷修改、優化和完善相關模擬方案，確保所構建的柜體有限元模型能夠真實地反映柜體結構實際參數，確保柜體結構參數設計的科學性和合理性。另外，還要將五種不同的工況導入到相關分析軟件中，對各個工況的最大應力和最大位移進行計算和統計，從而得出不同工況對應計算結果。在不同工況下，逆變器柜體最大相對位移達到了2.44mm，這種現象主要發生在柱梁焊縫處，而其他工況對應的柜體結構最大應力和最大位移相對較小。在吊座附近處，發現工況4的最大應力達到了152.73MPa，由此可見，柜體結構剛度和強度均符合靜力設計相關標準和要求。

3 結束語

綜上所述，在有限元法分析法的應用背景下，為進一步提高電氣設備的運行性能，相關人員要加強對逆變器柜體靜強度的科學處理。首先，匯總出逆變器柜體靜強度在不同工況下的分析結果，然后，從檢測剛度和檢測強度兩個環節出發，對逆變器柜體質量進行檢測，確保柜體質量達標，同時，還要根據柜體整體結構應力分布特點，發現柜體最大應力遠遠小于屈服強度值，說明柜體靜強度符合產品設計標準和要求。為后期更好地優化電氣設備運行性能提供重要的依據和參考。