轉角配電柜匯流排系統在振動沖擊下的應力分析

趙克威

(中國船舶電站設備有限公司，上海 200129)

0 引 言

在研究船舶電氣設備的振動和沖擊環境時，美國于20世紀50年代制訂相關的船舶振動對應標準，并發布《船用設備的機械振動標準》。歐洲國家也相繼對船舶電氣設備的動態性能展開相關研究。我國于20世紀80年代開始著手并頒布相關測試方法，在船舶振動沖擊方面陸續取得不少成果[1-2]。有限元分析法對一般結構進行動響應分析或隨機譜分析已較為成熟，尤其對低頻振動響應分析較為有效[2-3]。應用該方法不僅可得到相對精確的計算結果，而且可節約計算時間[2,4-7]。

某些艦船由于局部空間限制，需要配置轉角型配電設備。在配電設備中存在轉角型匯流排系統，作為供電電源母線。采用有限元仿真分析，對配電柜及其匯流排系統進行建模，模擬在振動沖擊環境下匯流排系統的應力分布狀況，并分析匯流排系統的受力情況，通過后續優化設計，使其整體結構強度和剛度滿足振動沖擊要求，并檢驗其安全性是否滿足設計要求。

1 三維模型

轉角配電柜及其匯流排系統的三維模型如圖1所示。

圖1 轉角配電柜及其匯流排系統三維模型

根據上述三維模型，建立轉角配電柜及其匯流排系統的有限元模型，如圖2所示。

圖2 轉角配電柜及其匯流排系統的有限元模型

計算分析所選用材料的屬性如表1所示，其中：片狀模塑料(Sheet Molding Compounds，SMC)的屬性由供應商的檢測報告提供[2]。

表1 計算分析材料屬性

2 加載試驗

2.1 掃頻要求

船舶設備的振動環境[2]如表2所示。

表2 船舶設備振動環境

2.2 沖擊響應及響應度校核

船舶設備按不同安裝區域可分為如下3類[2,8-9]：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0甲板以下船體外板、主隔壁、內底及雙層底頂板)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甲板以上主隔壁和側壁板部位的設備。

根據安裝位置，轉角配電柜按照Ⅰ類設備機型進行3項沖擊計算。上述3類設備的設計沖擊譜[2,8-9]如表3所示。

表3 設備設計沖擊譜

對于質量大于5 t的隔離系統而言，沖擊譜的加速度a和速度v需要折減，折減公式分別為

(1)

(2)

式(1)～式(2)中：m為被檢查設備質量；m0為設備質量；a0和v0分別為折減系數。

將設計沖擊譜轉換為組合三角波沖擊信號[2]，如圖3所示。

注：a2為正向加速度峰值；a4為反向加速度峰值；t2、t3為不同正向加速時間；t4、t5為不同反向加速時間圖3 組合三角波沖擊信號

假設設計沖擊譜的加速度、速度和位移分別為a、v和D，則組合三角數學表達式[2]如下：

加速度az為

(3)

速度vz為

(4)

位移D1～D4為

(5)

式(3)～式(5)中：a2為正向加速度峰值；t為加速時間；t2、t3為不同正向加速時間；a4為反向加速度峰值；t4、t5為不同反向加速時間。

3 掃頻分析

3.1 考查點分布及匯流排系統許用應力

根據給定的振動環境輸入，在3個自由度方向(背向、垂向、側向)計算相應條件下的穩態響應，給出匯流排系統區域的最大應力，作為強度校核的參考[2]。在計算結果處理上，重點考查匯流排系統轉角處的應力，轉角處節點對應的考查點編號如表4所示。

表4 匯流排系統轉角處節點對應的考查點編號

匯流排系統的屈服應力σ取80.00 MPa，安全系數n取1.5，匯流排系統可承受的最大屈服應力σ1為

(6)

3.2 背向掃頻分析

分別對工況1(1～16 Hz)和工況2(16～60 Hz)不同考查點路徑進行背向掃頻分析。

3.2.1 工況1

在工況1條件下，2～7號考查點掃頻數據如表5所示，圖4給出對應的匯流排系統應力云圖。

表5 2～7號考查點在工況1條件下的掃頻數據

圖4 2～7號考查點在工況1條件下的匯流排系統應力云圖

在工況1條件下，8～13號考查點掃頻數據如表6所示，圖5給出對應的匯流排系統應力云圖。

表6 8～13號考查點在工況1條件下的掃頻數據

3.2.2 工況2

在工況2條件下，2～7號考查點掃頻數據如表7所示，圖6給出對應的匯流排系統應力云圖。

圖5 8～13號考查點在工況1條件下的匯流排系統應力云圖

表7 2～7號考查點在工況2條件下的掃頻數據

圖6 2～7號考查點在工況2條件下的匯流排系統應力云圖

在工況2條件下，8～13號考查點掃頻數據如表8所示，圖7給出對應的匯流排系統應力云圖。

表8 8～13號考查點在工況2條件下的掃頻數據

圖7 8～13號考查點在工況2條件下的匯流排系統應力云圖

3.3 側向掃頻分析

分別對工況1(1～16 Hz)和 工況2(16～60 Hz)不同考查點路徑進行側向掃頻分析。

3.3.1 工況1

在工況1條件下，2～7號考查點掃頻數據如表9所示，圖8給出對應的匯流排系統應力云圖。

圖8 2～7號考查點在工況1條件下的匯流排系統應力云圖

表9 2～7號考查點在工況1條件下的掃頻數據

在工況1條件下，8～13號考查點掃頻數據如表10所示，圖9給出對應的匯流排系統應力云圖。

表10 8～13號考查點在工況1條件下的掃頻數據

圖9 8～13號考查點在工況1條件下的匯流排系統應力云圖

3.3.2 工況2

在工況2條件下，2～7號考查點掃頻數據如表11所示，圖10給出對應的匯流排系統應力云圖。

表11 2～7號考查點在工況2下的掃頻數據

圖10 2～7號考查點在工況2條件下的匯流排系統應力云圖

在工況2條件下，8～13號考查點掃頻數據如表12所示，圖11給出對應的匯流排系統應力云圖。

表12 8～13號考查點在工況2條件下的掃頻數據

圖11 8～13號考查點在工況2條件下的匯流排系統應力云圖

3.4 垂向掃頻分析

分別對工況1(1～16 Hz)和工況2(16～60 Hz)不同考查點路徑進行垂向掃頻分析。

3.4.1 工況1

在工況1條件下，2～13號考查點掃頻數據如表13所示，圖12給出對應的匯流排系統應力云圖。

表13 2～13號考查點在工況1條件下的掃頻數據

圖12 2～13號考查點在工況1條件下的匯流排系統應力云圖

3.4.2 工況2

在工況2條件下，2～13號考查點掃頻數據如表14所示，圖13給出對應的匯流排系統應力云圖。

表14 2～13號考查點在工況2條件下的掃頻數據

圖13 2～13號考查點在工況2條件下的匯流排系統應力云圖

3.5 小 結

在背向、側向和垂向進行掃頻計算時，綜合3個方向計算結果可知：在轉角處各考查點的應力水平均低于10 MPa，遠小于許用屈服應力。

4 沖擊計算

按照要求對轉角配電柜及其匯流排系統進行3個方向的沖擊分析[2]。按照設計沖擊譜的要求，轉角配電柜的沖擊譜轉化為組合三角波的沖擊曲線，將加速度時歷曲線轉換為位移時歷曲線，分別如圖14和圖15所示。

圖14 轉角配電柜不同方向沖擊譜加速度時歷曲線

圖15 轉角配電柜不同方向沖擊譜位移時歷曲線

轉角配電柜匯流排系統沖擊應力云圖如圖16所示。

圖16 轉角配電柜匯流排系統不同方向沖擊應力云圖

根據沖擊計算結果(見表15)，計算匯流排系統典型節點沖擊過程中的最大應力和最大加速度[2,10-11]。

表15 不同方向沖擊計算結果

由表15可知：匯流排系統最大應力響應發生在垂向沖擊時，最大應力為67.16 MPa，發生在匯流排系統與斷路器連接的轉角處，超過匯流排系統的許用屈服強度；在背向沖擊和側向沖擊時，應力分布主要集中在垂直于沖擊方向的匯流排系統處，最大應力還是分布在匯流排系統與斷路器連接的轉角處，分別為32.11 MPa和39.25 MPa。

5 結 論

(1)掃頻分析結果表明：在x方向進行掃頻計算時，整個匯流排系統的應力水平均小于40 MPa，低于匯流排系統的許用應力；在y方向進行掃頻計算時，整個匯流排系統的應力水平均小于40 MPa，

低于匯流排系統的許用應力；在z方向進行掃頻計算時，整個匯流排系統的應力水平均小于50 MPa，低于匯流排系統的許用應力。

(2)沖擊分析結果表明：在垂向沖擊下，匯流排系統最大應力大于許用應力，其原因是斷路器質量較大，斷路器安裝板厚度較小、剛度不足，因此其局部固有頻率與激勵頻率重合，產生共振，在匯流排系統連接處產生較大應力，考慮其應力水平較高，建議增加斷路器支撐剛度，以保證設計的可靠性；在背向和側向沖擊下，匯流排系統最大應力均小于許用應力，可滿足設計要求。

(3)在安裝減振器后，匯流排系統在3個方向的沖擊加速度均小于294.0 m/s2，可滿足設計要求。