大功率电滑环内部支撑架的力学分析与设计优化

邹天恺，申 振

(中船重工海博威(江苏)科技发展有限公司，江苏 扬州 225001)

大功率电滑环内部支撑架的力学分析与设计优化

邹天恺，申 振

(中船重工海博威(江苏)科技发展有限公司，江苏 扬州 225001)

仿真分析了国内首台单点系泊系统电滑环内部支撑架的强度、刚度、屈曲模态和振动模态，仿真结果表明该结构满足强度、刚度、屈曲承载要求，但一阶固有频率较小。通过优化支撑架结构形式、改变支撑架的约束条件，大大提高了其动力学特性。

强度刚度分析；屈曲分析；模态分析

0 引 言

电滑环是用于实现相互运动结构间信号和电流传递的装置。目前国内电滑环运用广泛，涵盖风电、核能、船舶、汽车等各领域。

单点系泊系统电滑环用于海上浮动式发电站向海底固定电缆进行电流传递，由于海上浮动式发电站要求输出功率远高于普通电滑环额定功率，因此对电滑环结构设计提出了全新的标准。根据技术要求，本套电滑环能够传递35 kV/25 MW电流，同时满足海洋平台上各项使用环境要求。

电滑环内部主体材料为环氧树脂，环氧树脂拥有良好的绝缘性能，但相对金属而言强度刚度低、韧性差，不能直接承受外部载荷。经考虑，电滑环主体采用金属笼式框架结构，笼式框架结构具有重量轻、强度刚度大、稳定性好的优点[1]，可有效分担滑环所受外部载荷和结构自重，保证滑环内部非金属零件的安全可靠性。

图1为单点系泊系统电滑环笼式框架结构示意图，其中圆筒状支撑架为主要受力件(如图2)，其设计尤为重要。本文主要通过对支撑架的强度刚度分析、屈曲模态分析和振动模态分析来研究支撑架的承载力学性能。

1 强度刚度分析

支撑架的强度刚度分析需要计算支撑架在受最大静载荷情况下的应力和变形值。强度分析通过Von Mises准则校核：

(1)

式中：σvM为Mises应力；σ1、σ2、σ3为第一、第二、第三主应力；σc为临界应力值。

变形值不应对内部非金属零件造成影响。考虑支撑架底端固定，顶部承载1 t质量结构件，同时电滑环外壳体由于受风负荷及其它载荷作用，传递给支撑架顶部20 000 N侧向力。设计时，支撑架内径1 530 mm，高1 120 mm，选用10 mm厚牌号2205双相不锈钢钢板卷筒拼焊再抠挖而成，周圈附有10 mm厚加强筋。杨氏模量E=200 GPa，泊松比μ=0.305。该结构采用ABAQUS计算，选用修正的二次四面体实体单元(C3D10M)划分网格，集中力载荷通过连续耦合方式加载在支撑架顶端。Mises及位移计算结果如图3、图4所示。

由图3、图4结果显示，支撑架所受最大Mises应力29.03 MPa，远小于双相不锈钢强度极限；最大位移0.1 656 mm，小于该零件按8级公差加工所允许最大偏差值(为0.195 mm)。由此可知，支撑架结构设计满足强度刚度要求。

2 屈曲模态分析

对于圆筒状轴向支撑件，通常需校核结构的抗屈曲能力。屈曲对应于结构的失稳情形，实践证明，很多大长宽比及大长厚比零件在承载远小于其理论承载值时会发生失效及破坏情况。这主要是由于这类结构具有一定的结构不稳定性，当承受载荷超过某个临界值时，出现很小的扰动就会导致结构失稳，造成零件提前承载失效。这样的扰动包括结构自身由于材料、加工及装配所导致的固有缺陷，也包括外界载荷所引起的微小变形[2-4]。

屈曲稳定分析常用有2种方法：一种是特征值分析；一种是非线性屈曲分析。特征值基于材料完全线性无缺陷，得到结果一般为结构屈曲上限；非线性屈曲分析考虑结构固有缺陷，因此值较为准确。常用做法是通过特征值分析得到结构的低阶固有频率和振型，这些振型一般能够代表结构最易发生失稳时所对应的缺陷形式，再通过耦合将这些振型作为固有缺陷叠加至结构本身，进行非线性屈曲分析[5]。

假设结构刚度矩阵为K，单位载荷作用下结构刚度矩阵增量为Kσ，则λKσ(λ为载荷乘子)代表另一载荷下刚度矩阵，在线性条件下它们均与位移无关。如果作用载荷矩阵为F，基准位移矩阵为D，则虚位移矩阵为δD。平衡条件有:

(K+λKσ)D=F

(2)

(K+λKσ) (D+δD)=F

(3)

上述方程相减得到:

(K+λKσ)δD=0

(4)

由此化为一个经典特征值问题，δD存在非零解等价于det(K+λKσ)=0，解得λ乘以所施加载荷得到临界屈曲载荷。

单点系泊系统电滑环由于使用环境恶劣，可靠性要求高，需要对支撑架结构进行屈曲稳定校核。采用特征值方法，运用ABAQUS计算。考虑支撑架底部固定，顶部受20 000 N侧向力情形。在支撑架顶部加载单位1大小轴向压力，计算结果显示，在材料完全线性条件下，支撑架1阶屈服特征值为2.5×107N，也即理论上达到1阶屈曲模态所需的轴向压力为2.5×107N，远远超出实际工作载荷。事实上，在结构尚未发生屈曲失稳前，内部应力已超出材料强度极限，因此该结构不存在轴压失稳问题。1阶屈曲振型如图5所示。

3 振动模态分析

单点系泊系统电滑环在运输、使用中需要考虑振动冲击影响。尤其在长期海洋工作环境下，系船软钢臂对单点平台造成的冲击及平台自身液滑环的高水压冲击都会给电滑环造成很大影响。支撑架作为电滑环内部主要支撑件需要拥有足够的抗振性能。

考虑图2支撑架连接示意图，支撑架上下2端由螺钉连接，底部有止口配合。顶部螺钉由于只能倒装，长期工作下可能松动，因此导致支撑架顶部法兰所受径向约束减小。极端情况，假设支撑架顶部法兰不受径向约束，只存在轴向约束。同时，考虑电滑环正常工作时由于顶部受1 t负重导致的承载硬化效果。材料2 205双相钢密度为7 880 kg/m3。

计算支撑架前4阶固有频率如表1所示，对应共振模态振型如图6所示。

表1 支撑架固有频率

由表1及图6可知，支撑架的低阶振型伴随有顶部法兰盘的大变形，由于支撑架在周圈6块支撑面板上打有足够加强筋，顶部法兰盘成为结构刚度最弱部分，因此支撑架的低阶振型主要集中在由顶部法兰盘变形所引起的共振形式。1阶固有频率为104.88 Hz，经分析不能满足设备使用要求，需进行优化。由于结构固有频率主要由结构的质量矩阵和刚度矩阵决定，质量越低、刚度越大，结构的固有频率越高。

在材料不变的情况下，支撑架想要大幅减重难度较大，由此可考虑提高结构刚度。这里采用增加止口方法，使顶部法兰与轴承内圈配合。由于轴承可采用调制处理，表面硬度高，可以有效抑制法兰盘的径向变形，增加法兰盘刚度。法兰盘振动变形减小的另一个好处是更能减缓其上连接螺钉的松动过程。

支撑架在原方案设计时没有预留止口，一方面是没有定位精度要求，同时也是考虑到顶部轴承装配便易性。增加止口会导致轴承内圈在装配时出现过约束，因此这里支撑架在优化设计时，预留止口不能过长，同时需留有足够的安装倒角。

图7为支撑架优化后连接示意图，顶部法兰附有止口与轴承配合。

在原支撑架模型中对顶部法兰增加径向变形约束。重新计算，结果如表2及图8所示。

表2 支撑架固有频率(优化后)

表2及图8显示，优化后支撑架的一阶固有频率提高至191.95 Hz，与原结构相比提高近1倍，且变形形式主要由支撑面板引起。经分析，达到电滑环使用要求。

4 结束语

本文通过对支撑架进行强度刚度、屈曲和振动模态分析，发现原有结构满足强度刚度、屈曲承载使用条件，但在长期使用可能出现螺钉松动的情况下不能满足振动条件要求。通过分析支撑架低阶共振模态振型，提出增加止口与轴承内圈配合的方法约束顶部法兰盘径向变形，经计算，这种方式能够显著增加该零件的一阶固有频率，达到使用标准。

[1] 张永顺,李松年.承受轴压的柱形笼式结构的弹性稳定性[J].北京航空航天大学学报,1959(2):18-33.

[2] 李正良,孟路希,李茂华.轴心受压Q460等边角钢局部屈曲稳定分析[J].重庆大学学报,2010,33(1):94-98.

[3] 傅祥卿.超长桩屈曲稳定分析[D].上海:上海大学,2008.

[4] 朱媛媛，胡育佳，程昌钧.Euler型梁-柱结构的非线性稳定性和后屈曲分析[J].应用数学和力学,2011,32(6):674-682.

[5] 王勖成.有限单元法[M].北京:清华大学出版社,2003.

MechanicalAnalysisandDesignOptimizationofInteriorSupportingFrameofHigh-powerElectricSlipRing

ZOU Tian-kai,SHEN Zhen

(CSIC Hebowi (Jiangsu) Technology Development Co.,Ltd,Yangzhou 225000,China)

This article simulates and analyzes the strength,stiffness,buckling modal and vibration mode of interior supporting frame of electric slip ring for the first domestic single point mooring system (SPMS).Simulation results show that the structure satisfies the requirements of strength,stiffness and buckling load,but has a relatively low first-order natural frequency.By optimizing the structure form of supporting frame and changing the boundary conditions of supporting frame,the dynamic characteristics of supporting frame is improved greatly.

strength and stiffness analysis;buckling analysis;modal analysis

TM503.5

：B

：CN32-1413(2017)04-0106-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.04.027

2017-04-17