分配电箱冲击试验与数值仿真

李亚璘 欧阳光耀

海军工程大学船舶与动力学院，湖北武汉430033

分配电箱冲击试验与数值仿真

李亚璘 欧阳光耀

海军工程大学船舶与动力学院，湖北武汉430033

冲击试验是舰用设备抗冲击特性研究的重要手段。对处于正常通电工作状态下的装有减振器的分配电箱进行冲击试验，采集加速度响应数据，通过处理，将其作为仿真研究的依据。利用有限元分析软件ANSYS计算分配电箱在实际冲击工况下的加速度响应，并与试验结果进行比较，分析造成两者差异的原因，总结分配电箱的抗冲击规律。

分配电箱；冲击试验；有限元分析

1 引言

随着现代水中兵器的发展，水下非接触式爆炸的当量和冲击持续时间均明显提高，以致对舰船的威胁越来越大。在非接触爆炸环境下，即使舰船结构处于安全半径内，舰用主要机电设备和武器电子设备也有可能会因承受过大的加速度或位移而遭到破坏，从而丧失战斗力［1－3］。因此，舰船设备的抗冲击能力是整个舰船抗冲击能力的重要组成要素，其决定了舰船在战斗中的生存能力。本文以分配电箱为主要研究对象，将通过冲击试验进行抗冲击特性研究。

2 冲击试验

本冲击试验的内容主要是利用锤击法测试分配电箱在通电情况下的冲击响应。

试验采用的系统为美国某仪器公司的NI数据采集系统，主机型号为NI1042Q，板卡为NIPXI－4472，可以用于采集±10 V范围的电压信号。其共有8个通道，单通道采样频率可设为1～100 kHz，同步采集，有外触发接口，支持ICP式振动加速度传感器。加速度传感器型号为KD1001L和KD1002LC。箱体背部安装的减振器为GSG－8型钢丝绳减振器，其参数如表1所示。

目前，现有的试验方法和仪器设备根本无法达到BV0430-85［4］规定的冲击输入要求，因此，本文的试验采用锤击法，主要对固定在冲击台架上端分配电箱（图1）的减振器基础进行锤击，然后再通过NI数据采集系统对加速度传感器测得的箱体及内部开关件的加速度数据进行采集。试验的目的为：一方面，通过试验得到冲击信号在分配电箱中的传播规律；另一方面，通过将试验采集的实际冲击输入作为仿真计算模型的输入对仿真结果和试验结果比较，从而验证仿真的正确性［4］。

表1 GSG－8型减振器参数Tab.1 Parameters of GSG－8 type isolator

图1 分配电箱的固定方式Fig.1 Fixation style of distribution box

加速度测点的布置原则主要需考虑分配电箱在受到冲击时的薄弱环节及冲击在分配电箱中的主要传递途径。此外，还应使测点易于布置，信号便于采集。加速度传感器的布置位置如表2所示。

表2 加速度测点布置位置Tab.2 Location of measuring points of acceleration

进行数据采集时，落锤重量为60 kg，高度设为0.1 m，采集频率为25 kHz，采集点数50 000个。典型的加速度时域值如图2～图4所示。

由试验可知，因隔振器的隔离作用，箱体的垂向加速度小于减振器基础的加速度，安装在箱体内的断路器由于箱体本身的弹性及阻尼作用，其响应加速度进一步降低。

图2 减振器基础垂向加速度Fig.2 Vertical acceleration of isolator base

图3 箱体垂向加速度Fig.3 Vertical acceleration of box body

图4 断路器垂向加速度Fig.4 Vertical acceleration of breaker

3 仿真计算

3.1 有限元模型的建立

根据图纸资料及实物测绘，首先建立分配电箱的三维实体模型，然后在此基础上对模型进行必要的简化，并通过专用接口将其从Pro／E导入到ANSYS中［5］。

分配电箱采用高阶数三维结构实体单元SOLID95进行仿真。减振器弹簧的三向刚度可用3个重叠的、分别定义刚度方向的COMBIN14单元进行模拟［6］。在弹簧单元下部的相应节点上，布置大质量点并用MASS21单元模拟，以便于施加冲击载荷，其值一般取装置整体质量的10～20倍。

完成材料属性定义后，对模型进行六面体网格划分。划分完毕的分配电箱有限元模型共有10 013个单元，62 853个节点，如图5所示。

图5 分配电箱有限元模型Fig.5 The finite element analysis model of distribution box

3.2 抗冲击计算

根据BV043／85标准，本文在对分配电箱进行垂向抗冲击计算时，施加了双重半正弦加速度冲击（图6），选取的工况如表3所示［7－10］。

图6 双重正弦加速度时历曲线Fig.6 Time history curve of double sine wave acceleration

表3 垂向冲击工况参数Tab.3 Work condition parameter of vertical shock

计算后的分配电箱垂向加速度响应如图7～图10所示。

3.3 结果分析

与试验中传感器测点对应的加速度响应进行对比可以发现：仿真结果与试验数据反映的冲击规律基本吻合，在实际冲击工况下，分配电箱的加速度响应是垂向、横向和纵向三个方向加速度耦

图7 箱体垂向加速度Fig.7 Vertical acceleration of box body

图8 箱体横向加速度Fig.8 Horizontal acceleration of box body

图9 箱体纵向加速度Fig.9 Lognitudinal acceleration of box body

图10 断路器垂向加速度Fig.10 Vertical acceleration of breaker

合作用的结果，且设备的垂向加速度响应要明显大于横向和纵向的加速度响应。通过仿真计算，发现箱体的三向加速度与试验相差不大，均略小于试验结果。造成这种误差的原因主要有：

1）在仿真中对分配电箱的模型进行了简化，箱体是作为一个整体进行的建模，忽略了其中的螺栓连接，且断路器也是用质量块来代替。

2）在实际工况中，减振器的静刚度、动刚度和冲击刚度均呈非线性，而在仿真中则是采用线性方式进行的处理。弹簧刚度采用的是静刚度，在受到冲击时，变形量超过了其最大变形量，从而减小了冲击力的传递。

4 结语

本文对分配电箱进行了冲击试验，以采集得到的减振器基础加速度数据作为该设备有限元模型的冲击输入，并根据BV0430-85标准的要求，对分配电箱进行了瞬态动力学分析。在比较冲击试验数据与数值仿真结果的基础上，分析造成两者差异的原因，得到了分配电箱的冲击规律，可为今后进一步研究分配电箱的抗冲击特性奠定基础。

［1］汪玉，华宏星.舰船现代冲击理论及应用［M］.北京：科学出版社，2005.

［2］SCAVUZZO R J.Naval shock analysis and design（shock and vibration monograph series）［M］.The Shock and Vibration Information Center，2000.

［3］COLE R H.Underwater explosions［M］.New Jersey：Princeton University Press，1948.

［4］BV0430-85 德国国防军舰建造规范——冲击安全性［S］.科布伦茨：联邦德国国防装备技术和采购局，1989.

［5］陈志敏.基于刚柔混合建模的柴油机抗冲击仿真研究［D］.武汉：海军工程大学，2007.

［6］傅中裕，杨晓京.ANSYS与Pro／ENGINEER之间模型数据转换的研究［J］.机电工程技术，2005，34（2）：51－53.

［7］黄国强，陆秋海.舰船发电机抗冲击性能分析［J］.清华大学学报（自然科学版），2006，46（11）：1911－1913，1917.

［8］呼怡玫.对舰船设备冲击振动试验的分析［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2002.

［9］李增光.舰船推进轴系抗冲击分析研究［D］.武汉：武汉理工大学，2006.

［10］林腾蛟，蒋仁科，李润方，等.船用齿轮箱动态响应及抗冲击性能数值仿真［J］.振动与冲击，2007，26（12）：14－17，22.

Shock Test and Simulation of Distribution Box

Li Ya－lin Ouyang Guang－yao
College of Naval Architecture and Power，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

Shock test is an important method to anti－shock characteristic study of shipboard equipment.A distribution box set with vibration isolator was subjected to shock loading under electrified condition.Its acceleration response was measured and the data as the basis of simulation was processed.The acceleration response of distribution box under practical shock condition was calculated with finite element analysis software ANSYS.The simulation results were compared with shock test and the differences between both were analyzed.The anti－shock regulation of distribution box was also summarized at last.And the simulation method is proved right.

distribution box；shock test；finite element analysis

U665.14

：A

：1673－3185（2011）04－34－03

2009-11-04

李亚璘（1985－），男，硕士研究生。研究方向：动力机械的设计、仿真与优化。E-mail：moison＠163.com

欧阳光耀（1964－），男，教授，博士生导师。研究方向：动力机械的设计、仿真与优化。E-mail：ouyanggy＠126.com

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.04.007