基于振動沖擊響應(yīng)的船用大容量配電板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

洪德新

(中國船舶電站設(shè)備有限公司， 上海200129)

0 引 言

隨著綜合電力推進技術(shù)和造船技術(shù)的飛速發(fā)展，船舶自動化、電氣化水平越來越高，船舶電力系統(tǒng)也由過去的輔助系統(tǒng)變?yōu)橹饕到y(tǒng)，船載系統(tǒng)對電力的需求呈幾何級數(shù)增長。

一個等級的系統(tǒng)電壓通常有一個功率極限，超過這個極限需提高電壓等級。20世紀70年代有研究資料表明，若電站電壓等級為400 V，則功率極限為3～5 MW，再提高容量就得提高電站電壓等級。本研究對象就是低壓電力系統(tǒng)下的大容量電站配電設(shè)備。

1 國內(nèi)外研究動態(tài)

為滿足低壓大容量電站的實際需求，對大容量船用配電板進行設(shè)計與工藝研究必不可少。為保證配電板柜體在船上的振動沖擊環(huán)境下不損壞，保障船上人員的安全和設(shè)備的完整性，對配電板柜體進行振動沖擊模擬計算，以優(yōu)化柜體設(shè)計，檢驗柜體的安全性。

在船舶電子設(shè)備振動和沖擊研究中，美國率先制定了關(guān)于船舶振動的標(biāo)準(zhǔn)，并于1954年頒布《船用設(shè)備的機械振動標(biāo)準(zhǔn)》。其他西方發(fā)達國家也相繼開展對船舶電子設(shè)備的動態(tài)性能研究。中國于20世紀80年代開始這些方面的研究，并制定相關(guān)方法等，在船舶振動沖擊方面也取得了不少成果[1-3]。2009年，中國人民解放軍總裝備部批準(zhǔn)制定《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法》，介紹軍用裝備實驗室振動和沖擊等試驗要求、試驗過程和結(jié)果分析的內(nèi)容[4]。

振動沖擊模擬計算最常用的方法是有限元法。有限元法在四五十年間迅速發(fā)展，已成為結(jié)構(gòu)分析的必需工具之一。利用有限元法對一般結(jié)構(gòu)進行振動響應(yīng)分析或隨機譜分析已經(jīng)比較成熟, 尤其對低頻振動響應(yīng)分析較為有效[5]。在有限元計算中，對模型進行簡化處理并合理地劃分有限元網(wǎng)格，既可以得到相對精確的計算結(jié)果，又可以減少計算量以節(jié)約計算時間[6-7]。國內(nèi)外學(xué)者采用有限元方法對船舶電子設(shè)備進行大量的動態(tài)響應(yīng)分析[8-9]。

在初步方案確認后，采用仿真軟件對配電板進行建模，分析配電板受力情況，模擬振動沖擊時的配電板應(yīng)力分布狀況，對配電板的結(jié)構(gòu)進行后續(xù)優(yōu)化設(shè)計，使配電板整體結(jié)構(gòu)滿足振動沖擊要求。著重介紹大容量船用配電板柜體強度分析，以便在配電板施工設(shè)計時充分考慮變形因素，具有十分重要的工程意義。

2 有限元建模

根據(jù)配電板柜體Solidworks模型，建立有限元模型。柜體三維模型如圖1所示。

圖1 配電板柜體的三維模型

在有限元模型中，側(cè)封板、后眉板、面板、頂板和三角襯板等結(jié)構(gòu)采用ANSYS的板單元，標(biāo)準(zhǔn)條架、橫框、豎框、銅線排和門的加強筋等框架結(jié)構(gòu)采用梁單元，斷路器、控制器和擴展模塊采用體單元，底部的隔振器簡化為彈簧單元。具體的有限元模型如圖2～圖4所示。

圖2 整體有限元模型

圖3 z橫框幾何模型

圖4 z橫框有限元模型

側(cè)板、后眉板和頂板等結(jié)構(gòu)通過部分螺栓與框架連接，在有限元模型中采用耦合節(jié)點的方法在螺栓連接處將板結(jié)構(gòu)與框架連接，其他區(qū)域結(jié)構(gòu)不連接；斷路器和控制單元的模型通過螺栓固定至安裝板上，在有限元模型中將螺栓連接的節(jié)點采用耦合方式將體單元與板單元連接；門板和框架的連接采用耦合節(jié)點Ux、Uy、Uz、Rx、Ry自由度，釋放繞z軸旋轉(zhuǎn)的自由度Rz。耦合結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 模型節(jié)點的耦合

圖6 整體有限元模型中的耦合模型

柜體與固定物之間的隔振器采用彈簧連接進行模擬，每2個點之間有3個方向，共3根彈簧，用于表示隔振器，如圖7所示。

圖7 隔振器的彈簧表示

在計算分析中所選用材料的屬性如表1所示，其中，絕緣塑料的屬性由供應(yīng)商的檢測報告提供。

表1 材料屬性

3 振動沖擊載荷

3.1 掃頻要求

安裝在船舶上的設(shè)備振動試驗要求如表2所示。

表2 振動環(huán)境

3.2 柜體在不同沖擊環(huán)境下的沖擊響應(yīng)以及響應(yīng)度校核

柜體按其在船舶上的安裝區(qū)域不同可分為3類[10-11]：

I類安裝區(qū)域的設(shè)備。指安裝在01甲板以下的船舶主要構(gòu)件(包括01甲板以下船體外板或扶強材、主隔壁、內(nèi)底和雙層底頂板)上的設(shè)備。

II類安裝區(qū)域的設(shè)備。指安裝在01甲板以下各層甲板(含01甲板)、01甲板以下圍壁、01甲板以上主隔壁和舷側(cè)外板部位的設(shè)備。

III類安裝區(qū)域的設(shè)備。指安裝在01甲板以上各層甲板(不含01甲板)和01甲板以上隔壁和側(cè)壁板部位的設(shè)備。

I、II、III類設(shè)備的設(shè)計沖擊環(huán)境，如表3所示。

表3 設(shè)備設(shè)計沖擊譜

配電板柜體的安裝位置在I類安裝區(qū)域，因此按照I類設(shè)備機型進行3向沖擊計算。

對于質(zhì)量大于5 t的隔離系統(tǒng)，沖擊譜速度和加速度還需折減：

(1)

(2)

式中：m0為設(shè)備質(zhì)量，m0=5 t；m為被檢查設(shè)備質(zhì)量，t；A0和v0分別為與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備質(zhì)量m0對應(yīng)的加速度和速度值。

將設(shè)計沖擊譜轉(zhuǎn)換成組合三角波沖擊信號，如圖8所示。

圖8 沖擊組合三角波

假設(shè)設(shè)計沖擊譜位移、速度和加速度分別為D、V、a，則組合三角數(shù)學(xué)表達式如下：

(1) 加速度(mm·ms-2)為

(3)

(2) 速度(mm·ms-1)為

(4)

(3) 位移(mm)為

(5)

4 結(jié)果與分析

4.1 掃頻分析

在振動計算時，根據(jù)表1輸入相應(yīng)的振動激勵，在3個自由度方向(x為背向，y為側(cè)向，z為垂向)計算相應(yīng)條件下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，給出柜體結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力，作為強度校核的參考。最大應(yīng)力處由圓圈和箭頭標(biāo)示。

在強度校核時，Q235碳鋼的屈服應(yīng)力取235 MPa，安全因數(shù)取n=1.5，能承受的最大屈服應(yīng)力為

(6)

4.1.1x方向掃頻分析

圖9～圖11分別為在峰值頻率下配電板柜體外板的應(yīng)力圖。

圖9 6Hz時外板應(yīng)力(x方向掃頻)

圖10 10Hz時外板應(yīng)力(x方向掃頻)

圖11 20Hz時外板應(yīng)力(x方向掃頻)

由圖9～圖11可知，配電板柜體外板的最大應(yīng)力值都遠小于碳鋼許用應(yīng)力值。

4.1.2y方向掃頻分析

圖12～圖14分別為在峰值頻率下配電板柜體外板的應(yīng)力圖。

圖12 6Hz時外板應(yīng)力(y方向掃頻)

圖13 11Hz時外板應(yīng)力(y方向掃頻)

圖14 20Hz時外板應(yīng)力(y方向掃頻)

由圖12～圖14可知，配電板柜體外板的最大應(yīng)力值都遠小于碳鋼許用應(yīng)力值。

4.1.3z方向掃頻分析

圖15～圖17分別為在峰值頻率下配電板柜體外板的應(yīng)力圖。

圖15 6Hz時外板應(yīng)力(z方向掃頻)

圖17 23Hz時外板應(yīng)力(z方向掃頻)

由圖15～圖17可知，配電板柜體外板的最大應(yīng)力值都遠小于碳鋼許用應(yīng)力值。

4.2 沖擊計算

按照要求對配電板柜體進行3個方向的沖擊分析，按照設(shè)計沖擊譜的要求，將沖擊譜轉(zhuǎn)化為組合三角波的沖擊曲線，將加速度的時歷曲線轉(zhuǎn)換為位移的時歷曲線。施加的沖擊加速度和沖擊位移隨時間變化[12-13]，如圖18～圖21所示。

圖18 垂向沖擊加速度時歷曲線

圖19 側(cè)向和背向沖擊加速度時歷曲線

圖20 垂向沖擊位移時歷曲線

圖21 側(cè)向和背向沖擊位移時歷曲線

根據(jù)沖擊計算結(jié)果，計算典型節(jié)點在沖擊過程中的最大加速度和最大應(yīng)力，計算整理結(jié)果如表4所示。

表4 沖擊計算結(jié)果

通過計算可知，對于框架上的板來說，在進行z向沖擊時，最大應(yīng)力為56.5 MPa，集中在側(cè)板底部和框架連接的螺栓處。

5 結(jié) 語

對配電板柜體進行掃頻分析，3個方向掃頻結(jié)果顯示柜體外板最大應(yīng)力值小于碳鋼許用應(yīng)力值。

在進行z向沖擊時，最大應(yīng)力為56.5 MPa，集中在側(cè)板底部和框架連接的螺栓處。雖然應(yīng)力沒有超過碳鋼許用應(yīng)力，但在實際生產(chǎn)制造中對該處的連接可作適當(dāng)加強。