基于振动冲击响应的船用大容量配电板结构优化设计

洪德新

(中国船舶电站设备有限公司， 上海200129)

0 引 言

随着综合电力推进技术和造船技术的飞速发展，船舶自动化、电气化水平越来越高，船舶电力系统也由过去的辅助系统变为主要系统，船载系统对电力的需求呈几何级数增长。

一个等级的系统电压通常有一个功率极限，超过这个极限需提高电压等级。20世纪70年代有研究资料表明，若电站电压等级为400 V，则功率极限为3～5 MW，再提高容量就得提高电站电压等级。本研究对象就是低压电力系统下的大容量电站配电设备。

1 国内外研究动态

为满足低压大容量电站的实际需求，对大容量船用配电板进行设计与工艺研究必不可少。为保证配电板柜体在船上的振动冲击环境下不损坏，保障船上人员的安全和设备的完整性，对配电板柜体进行振动冲击模拟计算，以优化柜体设计，检验柜体的安全性。

在船舶电子设备振动和冲击研究中，美国率先制定了关于船舶振动的标准，并于1954年颁布《船用设备的机械振动标准》。其他西方发达国家也相继开展对船舶电子设备的动态性能研究。中国于20世纪80年代开始这些方面的研究，并制定相关方法等，在船舶振动冲击方面也取得了不少成果[1-3]。2009年，中国人民解放军总装备部批准制定《军用装备实验室环境试验方法》，介绍军用装备实验室振动和冲击等试验要求、试验过程和结果分析的内容[4]。

振动冲击模拟计算最常用的方法是有限元法。有限元法在四五十年间迅速发展，已成为结构分析的必需工具之一。利用有限元法对一般结构进行振动响应分析或随机谱分析已经比较成熟, 尤其对低频振动响应分析较为有效[5]。在有限元计算中，对模型进行简化处理并合理地划分有限元网格，既可以得到相对精确的计算结果，又可以减少计算量以节约计算时间[6-7]。国内外学者采用有限元方法对船舶电子设备进行大量的动态响应分析[8-9]。

在初步方案确认后，采用仿真软件对配电板进行建模，分析配电板受力情况，模拟振动冲击时的配电板应力分布状况，对配电板的结构进行后续优化设计，使配电板整体结构满足振动冲击要求。着重介绍大容量船用配电板柜体强度分析，以便在配电板施工设计时充分考虑变形因素，具有十分重要的工程意义。

2 有限元建模

根据配电板柜体Solidworks模型，建立有限元模型。柜体三维模型如图1所示。

图1 配电板柜体的三维模型

在有限元模型中，侧封板、后眉板、面板、顶板和三角衬板等结构采用ANSYS的板单元，标准条架、横框、竖框、铜线排和门的加强筋等框架结构采用梁单元，断路器、控制器和扩展模块采用体单元，底部的隔振器简化为弹簧单元。具体的有限元模型如图2～图4所示。

图2 整体有限元模型

图3 z横框几何模型

图4 z横框有限元模型

侧板、后眉板和顶板等结构通过部分螺栓与框架连接，在有限元模型中采用耦合节点的方法在螺栓连接处将板结构与框架连接，其他区域结构不连接；断路器和控制单元的模型通过螺栓固定至安装板上，在有限元模型中将螺栓连接的节点采用耦合方式将体单元与板单元连接；门板和框架的连接采用耦合节点Ux、Uy、Uz、Rx、Ry自由度，释放绕z轴旋转的自由度Rz。耦合结果如图5和图6所示。

图5 模型节点的耦合

图6 整体有限元模型中的耦合模型

柜体与固定物之间的隔振器采用弹簧连接进行模拟，每2个点之间有3个方向，共3根弹簧，用于表示隔振器，如图7所示。

图7 隔振器的弹簧表示

在计算分析中所选用材料的属性如表1所示，其中，绝缘塑料的属性由供应商的检测报告提供。

表1 材料属性

3 振动冲击载荷

3.1 扫频要求

安装在船舶上的设备振动试验要求如表2所示。

表2 振动环境

3.2 柜体在不同冲击环境下的冲击响应以及响应度校核

柜体按其在船舶上的安装区域不同可分为3类[10-11]：

I类安装区域的设备。指安装在01甲板以下的船舶主要构件(包括01甲板以下船体外板或扶强材、主隔壁、内底和双层底顶板)上的设备。

II类安装区域的设备。指安装在01甲板以下各层甲板(含01甲板)、01甲板以下围壁、01甲板以上主隔壁和舷侧外板部位的设备。

III类安装区域的设备。指安装在01甲板以上各层甲板(不含01甲板)和01甲板以上隔壁和侧壁板部位的设备。

I、II、III类设备的设计冲击环境，如表3所示。

表3 设备设计冲击谱

配电板柜体的安装位置在I类安装区域，因此按照I类设备机型进行3向冲击计算。

对于质量大于5 t的隔离系统，冲击谱速度和加速度还需折减：

(1)

(2)

式中：m0为设备质量，m0=5 t；m为被检查设备质量，t；A0和v0分别为与标准设备质量m0对应的加速度和速度值。

将设计冲击谱转换成组合三角波冲击信号，如图8所示。

图8 冲击组合三角波

假设设计冲击谱位移、速度和加速度分别为D、V、a，则组合三角数学表达式如下：

(1) 加速度(mm·ms-2)为

(3)

(2) 速度(mm·ms-1)为

(4)

(3) 位移(mm)为

(5)

4 结果与分析

4.1 扫频分析

在振动计算时，根据表1输入相应的振动激励，在3个自由度方向(x为背向，y为侧向，z为垂向)计算相应条件下的稳态响应，给出柜体结构的最大应力，作为强度校核的参考。最大应力处由圆圈和箭头标示。

在强度校核时，Q235碳钢的屈服应力取235 MPa，安全因数取n=1.5，能承受的最大屈服应力为

(6)

4.1.1x方向扫频分析

图9～图11分别为在峰值频率下配电板柜体外板的应力图。

图9 6Hz时外板应力(x方向扫频)

图10 10Hz时外板应力(x方向扫频)

图11 20Hz时外板应力(x方向扫频)

由图9～图11可知，配电板柜体外板的最大应力值都远小于碳钢许用应力值。

4.1.2y方向扫频分析

图12～图14分别为在峰值频率下配电板柜体外板的应力图。

图12 6Hz时外板应力(y方向扫频)

图13 11Hz时外板应力(y方向扫频)

图14 20Hz时外板应力(y方向扫频)

由图12～图14可知，配电板柜体外板的最大应力值都远小于碳钢许用应力值。

4.1.3z方向扫频分析

图15～图17分别为在峰值频率下配电板柜体外板的应力图。

图15 6Hz时外板应力(z方向扫频)

图17 23Hz时外板应力(z方向扫频)

由图15～图17可知，配电板柜体外板的最大应力值都远小于碳钢许用应力值。

4.2 冲击计算

按照要求对配电板柜体进行3个方向的冲击分析，按照设计冲击谱的要求，将冲击谱转化为组合三角波的冲击曲线，将加速度的时历曲线转换为位移的时历曲线。施加的冲击加速度和冲击位移随时间变化[12-13]，如图18～图21所示。

图18 垂向冲击加速度时历曲线

图19 侧向和背向冲击加速度时历曲线

图20 垂向冲击位移时历曲线

图21 侧向和背向冲击位移时历曲线

根据冲击计算结果，计算典型节点在冲击过程中的最大加速度和最大应力，计算整理结果如表4所示。

表4 冲击计算结果

通过计算可知，对于框架上的板来说，在进行z向冲击时，最大应力为56.5 MPa，集中在侧板底部和框架连接的螺栓处。

5 结 语

对配电板柜体进行扫频分析，3个方向扫频结果显示柜体外板最大应力值小于碳钢许用应力值。

在进行z向冲击时，最大应力为56.5 MPa，集中在侧板底部和框架连接的螺栓处。虽然应力没有超过碳钢许用应力，但在实际生产制造中对该处的连接可作适当加强。