基于ANSYS軟件的儲(chǔ)能機(jī)柜力學(xué)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

夏新濤++李煒

摘 要 本文介紹了儲(chǔ)能機(jī)柜的基本特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，并利用ANSYS軟件對(duì)機(jī)柜框架進(jìn)行了力學(xué)分析，同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，并根據(jù)力學(xué)分析及試驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果，對(duì)儲(chǔ)能機(jī)柜進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞 儲(chǔ)能機(jī)柜；力學(xué)分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）19-0023-03

隨著光伏和風(fēng)電等新能源技術(shù)的推廣，配套的儲(chǔ)能設(shè)備也發(fā)展迅速。新能源一般都使用在邊遠(yuǎn)地區(qū)，或海島等環(huán)境復(fù)雜的地域，需要通過非常艱難的運(yùn)輸過程，才能到達(dá)設(shè)備的安裝地。新能源儲(chǔ)能設(shè)備一般選擇機(jī)柜來進(jìn)行安裝，設(shè)備的重量都比較大，有些儲(chǔ)能設(shè)備單臺(tái)的重量在1.5t左右。要求配套的機(jī)柜有非常好的靜載和動(dòng)載承受能力。在吊裝、運(yùn)輸、安裝、抗震等方面的要求非常高[1]，機(jī)柜強(qiáng)度將直接影響設(shè)備的產(chǎn)品交付和使用安全。

目前，電力儲(chǔ)能設(shè)備在國(guó)內(nèi)的推廣處于示范階段，還沒有專門針對(duì)電力儲(chǔ)能機(jī)柜開發(fā)的重載、抗振型機(jī)柜。一般會(huì)選用電力行業(yè)常用的機(jī)柜類型，比如C型型材機(jī)柜、9折型材機(jī)柜、16折型材機(jī)柜等[1]。但這幾類電力行業(yè)常用的機(jī)柜的承載能力不大于1t，如果使用環(huán)境的抗振要求在烈度7級(jí)以上，此類機(jī)柜的抗振能力不夠。

1 分析優(yōu)化思路及步驟

本文從滿足新能源儲(chǔ)能機(jī)柜（下稱機(jī)柜）承載強(qiáng)度需要出發(fā)，專門開發(fā)出一種專用的重載高強(qiáng)度機(jī)柜。該機(jī)柜規(guī)格尺寸為1300（長(zhǎng)）×800（寬）×2300（高），高度不包含門楣，但包含底座100高），機(jī)柜總重量約1.5t，機(jī)柜共安裝12個(gè)電池單元模塊，每個(gè)電池單元模塊重量約100 kg。

針對(duì)機(jī)柜的強(qiáng)度進(jìn)行分析，從機(jī)柜吊環(huán)的承載設(shè)計(jì)及機(jī)柜靜載強(qiáng)度出發(fā)，針對(duì)幾種不同的吊裝工控進(jìn)行有限元分析，計(jì)算出零部件的應(yīng)力及位移分布圖，查找機(jī)柜結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)[2-3]。并通過實(shí)際的吊裝實(shí)現(xiàn)進(jìn)行驗(yàn)證，找出設(shè)計(jì)的不足，完成對(duì)機(jī)柜結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

2 吊環(huán)拉伸強(qiáng)度分析

本文設(shè)計(jì)機(jī)柜采用吊環(huán)起吊，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB825-M12規(guī)定要求，初步選定M12吊環(huán)螺釘，單個(gè)吊環(huán)螺釘?shù)钠鸬踔亓坎怀^500 kg，4個(gè)M12吊環(huán)起吊重量應(yīng)在1.6～2t之間，能滿足機(jī)柜的起吊需要。

首先，對(duì)選用的GB825-M12（4.8級(jí)，鍍白鋅，螺距1.5 mm）吊環(huán)進(jìn)行拉伸強(qiáng)度校核，機(jī)柜重量按1.5噸計(jì)算。查閱機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)定，當(dāng)?shù)醐h(huán)螺釘承受工作載荷時(shí)，吊環(huán)螺釘?shù)奈ｋU(xiǎn)截面一般為螺紋牙根圓柱的橫截面，拉伸強(qiáng)度校核條件為：

1）兩點(diǎn)對(duì)角起吊：?jiǎn)蝹€(gè)吊環(huán)的拉伸強(qiáng)度

2）四點(diǎn)起吊：?jiǎn)蝹€(gè)吊環(huán)的拉伸強(qiáng)度

查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中螺紋連接的安全系數(shù)取5（M12、碳鋼、不控制預(yù)緊力、靜載荷），4.8級(jí)吊環(huán)的屈服極限為320 MPa，計(jì)算的需要拉伸應(yīng)力為64 MPa。

從理論上考慮，現(xiàn)場(chǎng)吊裝機(jī)柜時(shí)，如果采用兩點(diǎn)對(duì)角吊裝形式，單個(gè)吊環(huán)螺釘承受的拉伸應(yīng)力將超出其許用應(yīng)力，吊環(huán)有發(fā)生屈服失效，發(fā)生斷裂和變形的潛在危險(xiǎn)存在。

3 機(jī)柜強(qiáng)度分析和校核

首先對(duì)機(jī)柜進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再分幾種不同的工況進(jìn)行強(qiáng)度分析和校核，分別為：吊環(huán)固定工況、兩點(diǎn)對(duì)角吊裝工況、四點(diǎn)對(duì)角吊裝工況、靜載工況。

3.1 網(wǎng)格劃分

細(xì)化網(wǎng)格可以使計(jì)算結(jié)果更精確，但是會(huì)增加CPU計(jì)算時(shí)間、需要更大的存儲(chǔ)空間。網(wǎng)格劃分時(shí)需要權(quán)衡計(jì)算成本和細(xì)化網(wǎng)格之間的矛盾。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1所示。

圖1 機(jī)柜網(wǎng)格劃分

3.2 吊環(huán)固定工況分析

采用四點(diǎn)吊裝，載荷、位移約束條件如下。

1）位移約束條件：四個(gè)吊環(huán)的位移為固定約束（Fixed Support）。

2）機(jī)柜自重的加載：重力加速度g=9806.6 mm/s2；

3）單個(gè)電池模塊重量加載：按1.5倍的重量（約150 kg），通過施加重量模塊來模擬完成加載。

將計(jì)算的載荷和位移約束分別加載后，進(jìn)行仿真計(jì)算，得到固定吊環(huán)工況下機(jī)柜的位移、應(yīng)力云圖分別如圖2所示。

圖2 吊環(huán)固定工況下位移和應(yīng)力分析圖

力學(xué)分析結(jié)果表明，吊環(huán)固定時(shí)，產(chǎn)生的最大位移變形發(fā)生在機(jī)柜的中間部位下端處，最大變形為0.791 mm，零部件所受最大應(yīng)力240.15 MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在四個(gè)吊環(huán)處，吊環(huán)會(huì)發(fā)生屈服現(xiàn)象（斷裂）。

3.3 兩點(diǎn)對(duì)角吊裝工況分析

采用兩點(diǎn)對(duì)角吊裝，載荷、位移約束條件如下。

1）位移約束條件：機(jī)柜的底座位移為固定約束（Fixed Support）。

2）2個(gè)對(duì)角吊環(huán)施加載荷：起吊中心距機(jī)柜頂部高度為1500 mm，載荷大小為機(jī)柜的重量（2138.6 kg），轉(zhuǎn)換為分量施加到吊環(huán)上。

將計(jì)算的載荷和位移約束分別加載后，進(jìn)行仿真計(jì)算，得到固定吊環(huán)工況下機(jī)柜的位移、應(yīng)力云圖分別如圖3所示。

圖3 兩點(diǎn)對(duì)角起吊工況下位移和應(yīng)力分析圖

力學(xué)分析結(jié)果表明，產(chǎn)生的最大位移變形發(fā)生在機(jī)柜的吊環(huán)處，最大變形為1.4786 mm，零部件所受最大應(yīng)力598 MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在吊環(huán)螺釘處，吊環(huán)會(huì)發(fā)生屈服現(xiàn)象。

3.4 四點(diǎn)起吊吊裝工況分析

將計(jì)算的載荷和位移約束分別加載后，進(jìn)行仿真計(jì)算，得到固定吊環(huán)工況下機(jī)柜的位移、應(yīng)力云圖分別如圖4所示。

圖4 四點(diǎn)對(duì)角起吊工況下位移和應(yīng)力分析圖

力學(xué)分析結(jié)果表明，產(chǎn)生的最大位移變形發(fā)生在機(jī)柜的兩側(cè)縱梁中間處，最大變形為0.6927 mm，零部件所受最大應(yīng)力305.36 MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在吊環(huán)螺釘處，吊環(huán)會(huì)發(fā)生屈服現(xiàn)象。

3.5 靜載工況分析

將計(jì)算的載荷和位移約束分別加載后，進(jìn)行仿真計(jì)算，得到固定吊環(huán)工況下儲(chǔ)能機(jī)柜的位移、應(yīng)力云圖分別如圖5所示。endprint

圖5 靜載工況下位移和應(yīng)力分析圖

力學(xué)分析結(jié)果表明，產(chǎn)生的最大位移變形發(fā)生在機(jī)柜的兩側(cè)縱梁中間處，最大變形為0.6927 mm，零部件所受最大應(yīng)力305.36 MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在吊環(huán)螺釘處，吊環(huán)會(huì)發(fā)生屈服現(xiàn)象。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過對(duì)上面四種不同工況進(jìn)行應(yīng)力和位移的分析，機(jī)柜存在吊環(huán)斷裂和脫落的危險(xiǎn)，機(jī)柜某些部位的強(qiáng)度也不夠，存在破裂的潛在危險(xiǎn)。針對(duì)上面的分析情況，分別進(jìn)行了靜載試驗(yàn)和吊裝試驗(yàn)，按照機(jī)柜的實(shí)際載重量加工了試驗(yàn)配重，并將配重全部加載在機(jī)柜上，然后進(jìn)行靜載和吊裝試驗(yàn)。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，機(jī)柜在極端情況下出現(xiàn)了如圖6所示的破壞狀況。

采用四點(diǎn)起吊吊裝工況試驗(yàn)時(shí)，機(jī)柜在靜載和吊裝試驗(yàn)均沒有出現(xiàn)問題；采用兩點(diǎn)起吊吊裝工況試驗(yàn)時(shí)，機(jī)柜有吊環(huán)出現(xiàn)了斷裂和脫落的現(xiàn)象，同時(shí)因?yàn)閮牲c(diǎn)起吊吊裝，機(jī)柜頂部的框架出現(xiàn)了脫焊的現(xiàn)象；機(jī)柜在正常四點(diǎn)吊裝的試驗(yàn)下，吊裝10次以上不存在任何問題。

圖6 機(jī)柜吊環(huán)斷裂及破壞情況

5 結(jié)束語(yǔ)

通過ANSYS軟件對(duì)機(jī)柜進(jìn)行不同工況下的有限元分析[4]，并根據(jù)實(shí)際的使用情況進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，找出了機(jī)柜的潛在危險(xiǎn)。經(jīng)過分析試驗(yàn)結(jié)果，擬采用下述措施對(duì)機(jī)柜的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

1）采用8.8級(jí)的高強(qiáng)度M12吊環(huán)螺釘，增強(qiáng)吊環(huán)螺釘?shù)那?qiáng)度?；蛟龃蟮醐h(huán)螺釘?shù)囊?guī)格，將吊環(huán)螺釘增大到M20，即可同時(shí)滿足兩點(diǎn)或四點(diǎn)吊裝的要求。

2）由于機(jī)柜在安裝了所有電氣設(shè)備之后，重量過重（1.5T），因此可以放棄吊環(huán)螺釘?shù)跹b的方式，在機(jī)柜頂部安裝前后吊裝角鋼進(jìn)行吊裝。

3）機(jī)柜框架的四角的應(yīng)力較大，采用兩點(diǎn)吊裝方式時(shí)易加重應(yīng)力集中而造成損壞。在框架焊接時(shí)，采用塞縫焊接方式并滿焊，提高柜體連接角的強(qiáng)度；亦可以根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過加強(qiáng)筋板加固四角。

利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，獲取準(zhǔn)確的機(jī)柜應(yīng)力和應(yīng)變模型，并根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證ANSYS軟件的分析結(jié)果，找出機(jī)柜的薄弱環(huán)節(jié)和潛在危害，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。通過有限元分析及樣柜的試驗(yàn)驗(yàn)證，提高了機(jī)柜設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，為機(jī)柜的設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

夏新濤（1957-），男，教授，博士，河南科技大學(xué)機(jī)電程學(xué)院軸承研究所所長(zhǎng)。endprint