电气柜疲劳强度校核及结构优化

朱大巍，崔修斌，李杰

（天津航天瑞莱科技有限公司上海分部，上海 201199）

引言

目前，汽车保有量的不断增加带来诸多的环境和能源挑战，各类型的电动汽车是实现清洁汽车的解决方案之一，在全世界范围内得到推广和应用[1]。电气柜是对电动汽车充电的移动充电车的重要设备，其结构稳定性直接影响移动充电车的充电性能以及使用寿命。因此，需要对电气柜进行振动耐久性试验，当发生影响电气柜性能的结构变形和损伤时，就要对结构进行优化设计。本文基于电气柜的三维几何模型，使用Hypermesh建立有限元模型，导入ANSYS软件中进行模态和随机振动计算[2,3]，分析电气柜的振动特性及结构疲劳强度，并对减振器及其支座结构进行优化。

图1 电气柜结构示意图

1 问题描述

电气柜结构示意图如图1所示。电气柜主要承载结构为冷轧钢板，冷轧钢板之间通过焊接连在一起，电子部件通过螺栓连接到承载结构。电气柜通过减震器安装到安装支座上，支座通过螺栓安装到车体或振动台上。封盖和门通过螺栓和轴承安装到承载结构上。在振动耐久性试验中电气柜出现两个问题：①减振器安装孔附件结构出现疲劳断裂；②某些设备的振动量级较大影响设备使用。

2 有限元分析

2.1 有限元模型建立

有限元模型的简化、网格划分方式、边界条件都影响分析结果准确性。按照仿真经验，对于电气柜类结构，除了起承载作用的支撑框架外，还有许多电气设备。这些电气设备与支撑结构之间是螺栓连接，刚度相对较大，主要起到附加质量作用。故而在力学分析中，将电气功能设备作为质量点处理。电气柜有限元模型如图2所示。在有限元模型中，采用壳单元模拟支撑结构与柜门结构，电气设备采用质量单元模拟，减振器采用弹簧-阻尼单元模拟，焊接采用共节点方式。电气设备及减振器与支撑结构的连接采用刚性连接方式。

有限元模型共有单元数约80万，节点数约80万。模态及随机振动计算时，约束底座安装孔处所有自由度。网格划分如图2所示。

2.2 材料参数

电气柜主要承载结构为冷轧钢板，冷轧钢板的材料类型为Q235，功能类结构为镀铝锌板，详细参数见表1。减震器参数见表2。Q235的S-N曲线见图3所示[4]，选择50 %概率进行寿命评估。

2.3 约束信息

电气柜通过螺栓安装到工装上，螺栓安装位置如图4所示。模态计算和随机振动分析时，螺栓安装孔附件所有自由度全部约束。

2.4 载荷信息

电气柜安装于工装上，工装安装于振动台上。随机激励载荷见表3和图5[5]，加速度均方根等于57.9 m/s2。整体结构阻尼比取0.02。

图2 电气柜网格划分示意图

表1 材料属性

表2 减震器参数

图3 Q235A级（F）的P-S-N曲线

2.5 结果分析及强度校核

2.5.1 模态结果

电气柜前3阶模态振型见图6～8，由图可见，电气柜前3阶为整体振动。第1阶模态振型垂向振动时，中间两个减震器与安装支座发生明显振动。

图4 约束位置

表3 PSD数值与频率

图5 PSD载荷谱

图6 第1阶模态振型

图7 第2阶模态振型

图8 第3阶模态振型

2.5.2 振动传递结果

图9～11是位于四角和中间的两个减震器三个方向的传递率曲线，传递率等于减震器上部加速度功率谱与下部加速度功率谱之间的比值。由图可见，垂向振动时，中部减震器减震效果较差，角点减震器的低频区域放大作用比较明显；横向振动时，中部减震器和角点处减震器的共振频率不一致，这是由于两个减震器底部约束不同造成的。另外，需要注意的是，减震器与电气柜组成的系统固有频率在激励频率范围内，这一点和以往减震器使用经验不同。

图9 垂向减震器传递率曲线

图10 纵向减震器传递率曲线

图11 横向减震器传递率曲线

2.5.3 强度校核结果

图12是垂向随机载荷下减震器安装座的1 σ应力云图，由图可见，电气柜四个角点的减震器安装座应力较大，中间两个减震器安装座应力较小。这与模态分析的结果一致。减震器安装座的1 σ最大应力为81.9 MPa，则相应的2 σ应力为163.8 MPa，3 σ应力为245.7 MPa。根据高斯分区方法[6]，3 σ应力对应的循环次数为4.33 %。试验中电气柜经历的循环次数近似的等于1.152×108，则3 σ应力应经历5×106。从图3可知，垂向振动3 σ应力大于材料的疲劳极限，对应的循环次数2×105，小于试验经历的疲劳循环次数。因此，该方向上结构疲劳强度难以满足要求。

图12 垂向减震器安装座1 σ应力云图

图13 纵向减震器安装座1 σ应力云图

图13 是纵向随机载荷下减震器安装座的1 σ应力云图，由图可见，电气柜六个减震器安装座应力较为均匀。这与模态分析的结果一致。减震器安装座的1 σ最大应力为28 MPa，则相应的2 σ应力为56 MPa，3 σ应力为84 MPa。从图3可知，垂向振动3 σ应力小于材料的疲劳极限，对应的循环次数应为无限大。因此，该方向上结构疲劳强度可以满足要求。

图14是横向随机载荷下减震器安装座的1 σ应力云图，由图可见，电气柜六个减震器安装座应力较为均匀。这与模态分析的结果一致。减震器安装座的1 σ最大应力为18.5 MPa，则相应的2 σ应力为37 MPa，3 σ应力为55.5 MPa。

从图3可知，垂向振动3 σ应力小于材料的疲劳极限，对应的循环次数应为无限大。因此，该方向上结构疲劳强度可以满足要求。

3 结构优化设计

3.1 原因分析

根据以上分析可知，电气柜的疲劳寿命不符合设计要求，表明结构设计不合理。原因如下： ①垂向振动时，中部减震器没有预期的减震效果，只有四个角点的减震器起到减震作用；②横向振动时，减振器支座对减振器的约束刚度不一致，导致减振器效果弱化；③减振器在低频区域出现共振，减振器选型出现偏差。

3.2 优化方案及结果评价

针对电气柜应力较大现象，现对其结构做以下优化：①更换新型减振器，确保激励频率范围为减振器振动衰减频率范围；②增加减振器安装支座刚度，减少对减振器低频性能的影响；③整体加工减震器安装支座，避免不连续不光滑的结构设计。

根据以上优化方案求解，优化后的结果如下所示。图15是垂向随机载荷下减震器安装座的1 σ应力云图，由图可见，减震器安装座应力较大。减震器安装座的1 σ最大应力为50.3 MPa，则相应的2 σ应力为100.6 MPa，3 σ应力为150.9 MPa。根据高斯分区方法，3 σ应力对应的循环次数为4.33 %。试验中电气柜经历的循环次数近似的等于1.152×108，则3 σ应力应经历5×106。

图14 横向减震器安装座1 σ应力云图

图15 垂向减震器安装座1σ应力云图

从图3可知，垂向振动3 σ应力小于材料的疲劳极限，对应的循环次数为无限，大于试验经历的疲劳循环次数。因此，该方向上结构疲劳强度可以满足要求。

4 结论

根据电气柜振动特性有限元分析，可以得到如下结论：

1）有限元分析结果表明：最大应力出现在减振器安装座附近，与实际裂纹破坏位置基本吻合。振动特性及结构疲劳强度校核表明：减振器及安装支座刚度不能满足设计要求。

2）优化方案结果表明：更换新型减振器及改进安装制作设计后能够降低局部应力集中，很好解决了电气柜在振动耐久性试验中出现裂纹问题。