船用電器柜頂部支撐結構優化設計

俞科云，黃逢昱，汪正煒

船用電器柜頂部支撐結構優化設計

俞科云1，黃逢昱2，汪正煒2

(1．海裝駐武漢地區第一軍事代表室，武漢 430000；2．武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

針對船內電器柜受到外部沖擊可能發生功能失效這一現象，對船用電器柜頂部支撐結構進行優化，增強其抗沖擊性能，并采用有限元法對優化前后的船用電器柜結構進行抗沖擊性能仿真。通過對比分析得出該優化方案能夠改善船用電器柜的抗沖擊性能，可以為同類型的設備結構設計提供參考。

船用電器柜 頂部支撐有限元法抗沖擊

0 引言

船用設備的抗沖擊性能是船上設備在遇到強力沖擊時能否正常運行的關鍵，對于抗沖擊性能的優化研究一直是關注的重點內容。船用設備所受到的沖擊類型主要有碰撞沖擊、接觸性爆炸沖擊和非接觸爆炸沖擊等。沖擊載荷作用于船體結構，經過設備與船體間的固定裝置傳遞至設備本體，產生相應的沖擊應力應變和沖擊響應位移。若超出設備的抗沖擊能力，可能會導致設備功能失效，甚至損壞。

為設計出高性能的抗沖擊系統，眾多學者在材料、結構、連接方式等方面進行了研究。張相聞[1]等采用已在航空航天領域應用的蜂窩材料，設計出一種新型的蜂窩基座抗沖擊結構，具有良好的抗沖擊性能。任晨輝[2]等通過對余弦梁的負剛度特性研究，提出設備與船體間通過多層余弦梁結構連接來替代傳統隔振器的抗沖擊系統。陳榮[3]等對船舶機控設備的隔沖裝置進行性能分析，研究其對設備抗沖擊性能的影響。向昊[4]在常規沖擊性能評估方法的基礎上進行改進，提出了精確度更高的評估方法。本文對船用電器柜頂部支撐結構進行優化研究，通過添加加強筋來提高其抗沖擊性能，并采用有限元法進行仿真計算，與傳統支撐結構進行對比分析。

1 電器柜頂部支撐動力學模型

船用電器柜與船體采用彈性或剛性連接，根據空間位置擺放，其固定方式可分為立式和壁掛式。電器柜內裝有大量精密電氣電子元器件，控制船舶機電設備正常工作。在彈性連接中，通常采用鋼絲繩隔振器來降低外部沖擊對柜內設備的影響。對于鋼絲繩隔振器連接的壁掛式船用電器柜，本文提出在原有頂部L型撐板支撐的基礎上添加加強筋增強結構強度，并進一步研究加強筋尺寸型號對其抗沖擊性能的影響。

根據上述設計思路，建立結構優化前后的船用電器柜頂部支撐動力學模型。本文僅對頂部支撐結構做出改進，電器柜框架主體以及固定方式完全一致，為便于仿真計算分析，將電器柜內部設備簡化為質點，鋼絲繩隔振器簡化為三向彈簧，僅對其頂部支撐結構進行考核。

1）L型頂部支撐結構：在電器柜的頂部安裝L型撐板，再通過隔振器固定在船艙壁上，如圖1所示。

圖1 L型頂部支撐結構示意圖

2）加強筋式頂部支撐結構：在原有L型撐板的基礎上焊接加強筋，再與隔振器連接固定在船艙壁上，如圖2所示。

圖2 加強筋式頂部支撐結構示意圖

為進一步研究加強筋在改善電器柜抗沖擊性能中發揮的作用，建立了多種尺寸型號的加強筋式頂部支撐結構模型，見表1。

2 沖擊環境設計

2.1 電器柜沖擊環境分析

對電器柜的抗沖擊結構優化設計仿真時，應先設計符合標準的沖擊環境條件。通常來說，船用電器柜的沖擊環境是在沖擊載荷下，從設備所受到的沖擊加速度，沖擊速度、位移三方面來進行描述，即“沖擊響應譜”。

設備的沖擊響應譜值受到不同方向的沖擊會產生較大差異，因此在進行船舶設計時，應考慮內部設備的空間位置對設備抗沖擊性能的影響[5]。壁掛式電器柜在安裝時，底部通過隔振器與船體相連，主要承受垂向沖擊，頂部通過隔振器與船艙壁相連，主要承受橫向或縱向沖擊。本文著重對電器柜頂部支撐結構進行研究，因此，選取一橫向沖擊加速度進行仿真計算。

表1 電器柜頂部支撐結構分類

2.2 電器柜沖擊環境設計標準

根據GJB1060.1-91“艦船環境條件要求-機械環境”中對艦船結構以及設備的沖擊設計要求，將設備的抗沖擊等級按對艦船性能的影響分為A、B、C三級。電器柜內裝有控制開關和各種電子元器件，是確保艦船航行和作戰能力的重要設備，應定為Ａ級。

對水面艦船來說，根據設備安裝的空間位置，將之分為船體部位安裝設備（甲類）、甲板部位安裝設備（乙類）和外板部位安裝設備（丙類）。電器柜位于船體機艙處，采用隔振器與艙壁連接，應歸為甲類設備。此外，電器柜在受到沖擊后應確保不會產生永久形變，防止對柜內元器件造成損壞，在選用沖擊環境設計值時，應選擇彈性設計。

經過上述分析，船用電器柜的沖擊環境設計值選取如表2所示。

表2 船用電器柜沖擊環境設計值

表中A、V表示選用彈性設計時對應的加速度和速度值，取A和Vω兩者中較小的作為動力學分析系統中的沖擊設計加速度，用D表示；A0、V0是對應船用設備的基準加速度和速度值，可通過公式（1）、（2）計算。

式中：m－設備的模態質量，t；0、0－標稱加速度譜和速度譜，單位分別是m/s2和m/s。

3 仿真試驗

3.1 仿真過程

1）僅考慮材料的線彈性物理性質，不考慮材料的塑性特性，材質均勻無缺陷；

2）假設焊縫材料與主體材料性能相同，且為滿焊；

3）柜內設備如功率模塊、電抗器等采用質量點模擬；

4）設備所用的隔振器簡化為三向彈簧；

5）不考慮構件安裝的初始應力，不考慮加工誤差；

6）由于未知基座模型，不考慮設備基座的抗沖擊性能，認為其滿足正常工作要求，其頻率相對于隔振器安裝可等效為剛性,隔振器安裝位置固支。

結合電器柜實際安裝情況及抗沖擊仿真評估要求，對模型施加如下邊界條件如下：

a）主框架焊接而成，設置成綁定，個別使用螺栓連接的位置也設置成綁定；

b）底部彈簧一端和主框架底部綁定在一起，另一端固定；

c）頂部支撐結構底板與主框架頂部綁定，側板與彈簧一端綁定，彈簧另一端固定。

以模型2為例，Ｌ型撐板底部與電器柜框架連接，側邊與隔振器連接，采用六邊形單元對三維模型進行網格劃分，其有限元模型如圖3所示。

本文主要對電器柜頂部支撐結構進行優化，為便于觀察，截取其頂部支撐結構部分，如圖4所示。

圖3 有限元模型

圖4 頂部支撐有限元模型

統計本文列舉的電器柜頂部支撐結構有限元模型單元，見表3。

表3 有限元模型單元統計表

3.2 電器柜頂部支撐沖擊響應特性結果分析

圖5中選取了模型1~6在橫向沖擊載荷作用下的應力分布云圖。從圖中可看出，模型1無加強筋結構，最大應力位于L型撐板折彎處，在沖擊載荷的作用下，頂部支撐側板發生變形。模型2~6是選取了參數b不變，僅改變參數a的加強筋結構沖擊響應應力分布云圖，最大應力位于加強筋與L型撐板側面焊接處。在撐板厚度減少一半的情況下，焊接加強筋的撐板仍具有良好的穩固性，雖然模型2、3最大應力超出材料的屈服極限，但區域較小，不影響結構的整體強度。同時，還可看出隨著a值的增加，頂部支撐結構的最大應力逐步減小，直至達到最佳；繼續增大a值，其最大應力又逐步增大。

圖6給出了加強筋參數b的選取對電器柜抗沖擊性能影響的沖擊響應應力云圖。從圖中可看出，電器柜頂部支撐的最大應力與b值的選取呈負相關。但當b值增大到一定程度時，對頂部支撐最大應力的影響降低。

圖5 沖擊響應應力云圖（1）

4 結論

本文采用有限元法對電器柜頂部支撐結構進行了沖擊仿真模擬，考慮到電器柜的沖擊環境、加工難度、重量等因素，設計了一種在原有L型撐板的基礎上焊接加強筋增強其結構強度，以此來達到提高電器柜抗沖擊性能的目的。由仿真計算結果可得到如下結論：

1）焊接加強筋后的頂部支撐結構改善了設備的穩固性，提高了電器柜的抗沖擊性能，相比于原始結構，重量減少了40%左右。

2）電器柜頂部支撐的抗沖擊性能隨加強筋跨距a值的增加不斷提升，當為85%左右時，抗沖擊性能最佳；繼續增大a，其抗沖擊性能開始降低。 3）電器柜頂部支撐的抗沖擊性能隨加強筋寬度b值的增加不斷提升；但當b/a為50%左右時，繼續增大b值，對其抗沖擊性能的影響較小，在選取時應考慮重量因素。

圖6 沖擊響應應力云圖（2）

[1] 張相聞, 楊德慶.船用新型抗沖擊隔振蜂窩基座[J].振動與沖擊. 2015.

[2] 任晨輝, 楊德慶. 船用新型多層負剛度沖擊隔離器性能分析[J]. 振動與沖擊. 2018, (10).

[3] 陳榮, 趙鼎鼎, 孫偉星, 李江. 艦船機電控制設備隔沖性能分析[J]. 噪聲與振動控制. 2016.

[4] 向昊. 船舶上層建筑側壁結構抗沖擊性能評估方法研究[J]. 艦船科學技術, 2019.

[5] 尹群. 水面艦船設備沖擊環境與結構抗沖擊性能研究[D]. 南京: 南京航空航天大學. 2006.

Optimizing Design of the Top Support Structure of Electrical Cabinet on Board

Yu Keyun1，Huang Fengyu2，Wang Zhengwei2

（1．1th Military Representative Room at Wuhan Areas, Naval Department of Equipment, Wuhan 430000, China; 2．Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TB122

A 文獻分類號：1003-4862（2021）06-0062-04

2020-11-23

俞科云（1971-），男，高級工程師。研究方向：輪機工程。Email：