趙克威

(中國船舶電站設(shè)備有限公司，上海 200129)

0 引 言

在研究船舶電氣設(shè)備的振動和沖擊環(huán)境時，美國于20世紀(jì)50年代制訂相關(guān)的船舶振動對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，并發(fā)布《船用設(shè)備的機(jī)械振動標(biāo)準(zhǔn)》。歐洲國家也相繼對船舶電氣設(shè)備的動態(tài)性能展開相關(guān)研究。我國于20世紀(jì)80年代開始著手并頒布相關(guān)測試方法，在船舶振動沖擊方面陸續(xù)取得不少成果[1-2]。有限元分析法對一般結(jié)構(gòu)進(jìn)行動響應(yīng)分析或隨機(jī)譜分析已較為成熟，尤其對低頻振動響應(yīng)分析較為有效[2-3]。應(yīng)用該方法不僅可得到相對精確的計(jì)算結(jié)果，而且可節(jié)約計(jì)算時間[2,4-7]。

某些艦船由于局部空間限制，需要配置轉(zhuǎn)角型配電設(shè)備。在配電設(shè)備中存在轉(zhuǎn)角型匯流排系統(tǒng)，作為供電電源母線。采用有限元仿真分析，對配電柜及其匯流排系統(tǒng)進(jìn)行建模，模擬在振動沖擊環(huán)境下匯流排系統(tǒng)的應(yīng)力分布狀況，并分析匯流排系統(tǒng)的受力情況，通過后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿足振動沖擊要求，并檢驗(yàn)其安全性是否滿足設(shè)計(jì)要求。

1 三維模型

轉(zhuǎn)角配電柜及其匯流排系統(tǒng)的三維模型如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)角配電柜及其匯流排系統(tǒng)三維模型

根據(jù)上述三維模型，建立轉(zhuǎn)角配電柜及其匯流排系統(tǒng)的有限元模型，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)角配電柜及其匯流排系統(tǒng)的有限元模型

計(jì)算分析所選用材料的屬性如表1所示，其中：片狀模塑料(Sheet Molding Compounds，SMC)的屬性由供應(yīng)商的檢測報告提供[2]。

表1 計(jì)算分析材料屬性

2 加載試驗(yàn)

2.1 掃頻要求

船舶設(shè)備的振動環(huán)境[2]如表2所示。

表2 船舶設(shè)備振動環(huán)境

2.2 沖擊響應(yīng)及響應(yīng)度校核

船舶設(shè)備按不同安裝區(qū)域可分為如下3類[2,8-9]：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0甲板以下船體外板、主隔壁、內(nèi)底及雙層底頂板)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甲板以上主隔壁和側(cè)壁板部位的設(shè)備。

根據(jù)安裝位置，轉(zhuǎn)角配電柜按照Ⅰ類設(shè)備機(jī)型進(jìn)行3項(xiàng)沖擊計(jì)算。上述3類設(shè)備的設(shè)計(jì)沖擊譜[2,8-9]如表3所示。

表3 設(shè)備設(shè)計(jì)沖擊譜

對于質(zhì)量大于5 t的隔離系統(tǒng)而言，沖擊譜的加速度a和速度v需要折減，折減公式分別為

(1)

(2)

式(1)～式(2)中：m為被檢查設(shè)備質(zhì)量；m0為設(shè)備質(zhì)量；a0和v0分別為折減系數(shù)。

將設(shè)計(jì)沖擊譜轉(zhuǎn)換為組合三角波沖擊信號[2]，如圖3所示。

注：a2為正向加速度峰值；a4為反向加速度峰值；t2、t3為不同正向加速時間；t4、t5為不同反向加速時間圖3 組合三角波沖擊信號

假設(shè)設(shè)計(jì)沖擊譜的加速度、速度和位移分別為a、v和D，則組合三角數(shù)學(xué)表達(dá)式[2]如下：

加速度az為

(3)

速度vz為

(4)

位移D1～D4為

(5)

式(3)～式(5)中：a2為正向加速度峰值；t為加速時間；t2、t3為不同正向加速時間；a4為反向加速度峰值；t4、t5為不同反向加速時間。

3 掃頻分析

3.1 考查點(diǎn)分布及匯流排系統(tǒng)許用應(yīng)力

根據(jù)給定的振動環(huán)境輸入，在3個自由度方向(背向、垂向、側(cè)向)計(jì)算相應(yīng)條件下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，給出匯流排系統(tǒng)區(qū)域的最大應(yīng)力，作為強(qiáng)度校核的參考[2]。在計(jì)算結(jié)果處理上，重點(diǎn)考查匯流排系統(tǒng)轉(zhuǎn)角處的應(yīng)力，轉(zhuǎn)角處節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的考查點(diǎn)編號如表4所示。

表4 匯流排系統(tǒng)轉(zhuǎn)角處節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的考查點(diǎn)編號

匯流排系統(tǒng)的屈服應(yīng)力σ取80.00 MPa，安全系數(shù)n取1.5，匯流排系統(tǒng)可承受的最大屈服應(yīng)力σ1為

(6)

3.2 背向掃頻分析

分別對工況1(1～16 Hz)和工況2(16～60 Hz)不同考查點(diǎn)路徑進(jìn)行背向掃頻分析。

3.2.1 工況1

在工況1條件下，2～7號考查點(diǎn)掃頻數(shù)據(jù)如表5所示，圖4給出對應(yīng)的匯流排系統(tǒng)應(yīng)力云圖。

表5 2～7號考查點(diǎn)在工況1條件下的掃頻數(shù)據(jù)

圖4 2～7號考查點(diǎn)在工況1條件下的匯流排系統(tǒng)應(yīng)力云圖

在工況1條件下，8～13號考查點(diǎn)掃頻數(shù)據(jù)如表6所示，圖5給出對應(yīng)的匯流排系統(tǒng)應(yīng)力云圖。

表6 8～13號考查點(diǎn)在工況1條件下的掃頻數(shù)據(jù)

3.2.2 工況2

在工況2條件下，2～7號考查點(diǎn)掃頻數(shù)據(jù)如表7所示，圖6給出對應(yīng)的匯流排系統(tǒng)應(yīng)力云圖。

圖5 8～13號考查點(diǎn)在工況1條件下的匯流排系統(tǒng)應(yīng)力云圖

表7 2～7號考查點(diǎn)在工況2條件下的掃頻數(shù)據(jù)

圖6 2～7號考查點(diǎn)在工況2條件下的匯流排系統(tǒng)應(yīng)力云圖

在工況2條件下，8～13號考查點(diǎn)掃頻數(shù)據(jù)如表8所示，圖7給出對應(yīng)的匯流排系統(tǒng)應(yīng)力云圖。

表8 8～13號考查點(diǎn)在工況2條件下的掃頻數(shù)據(jù)

圖7 8～13號考查點(diǎn)在工況2條件下的匯流排系統(tǒng)應(yīng)力云圖

3.3 側(cè)向掃頻分析

分別對工況1(1～16 Hz)和 工況2(16～60 Hz)不同考查點(diǎn)路徑進(jìn)行側(cè)向掃頻分析。

3.3.1 工況1

在工況1條件下，2～7號考查點(diǎn)掃頻數(shù)據(jù)如表9所示，圖8給出對應(yīng)的匯流排系統(tǒng)應(yīng)力云圖。

圖8 2～7號考查點(diǎn)在工況1條件下的匯流排系統(tǒng)應(yīng)力云圖

表9 2～7號考查點(diǎn)在工況1條件下的掃頻數(shù)據(jù)

在工況1條件下，8～13號考查點(diǎn)掃頻數(shù)據(jù)如表10所示，圖9給出對應(yīng)的匯流排系統(tǒng)應(yīng)力云圖。

表10 8～13號考查點(diǎn)在工況1條件下的掃頻數(shù)據(jù)

圖9 8～13號考查點(diǎn)在工況1條件下的匯流排系統(tǒng)應(yīng)力云圖

3.3.2 工況2

在工況2條件下，2～7號考查點(diǎn)掃頻數(shù)據(jù)如表11所示，圖10給出對應(yīng)的匯流排系統(tǒng)應(yīng)力云圖。

表11 2～7號考查點(diǎn)在工況2下的掃頻數(shù)據(jù)

圖10 2～7號考查點(diǎn)在工況2條件下的匯流排系統(tǒng)應(yīng)力云圖

在工況2條件下，8～13號考查點(diǎn)掃頻數(shù)據(jù)如表12所示，圖11給出對應(yīng)的匯流排系統(tǒng)應(yīng)力云圖。

表12 8～13號考查點(diǎn)在工況2條件下的掃頻數(shù)據(jù)

圖11 8～13號考查點(diǎn)在工況2條件下的匯流排系統(tǒng)應(yīng)力云圖

3.4 垂向掃頻分析

分別對工況1(1～16 Hz)和工況2(16～60 Hz)不同考查點(diǎn)路徑進(jìn)行垂向掃頻分析。

3.4.1 工況1

在工況1條件下，2～13號考查點(diǎn)掃頻數(shù)據(jù)如表13所示，圖12給出對應(yīng)的匯流排系統(tǒng)應(yīng)力云圖。

表13 2～13號考查點(diǎn)在工況1條件下的掃頻數(shù)據(jù)

圖12 2～13號考查點(diǎn)在工況1條件下的匯流排系統(tǒng)應(yīng)力云圖

3.4.2 工況2

在工況2條件下，2～13號考查點(diǎn)掃頻數(shù)據(jù)如表14所示，圖13給出對應(yīng)的匯流排系統(tǒng)應(yīng)力云圖。

表14 2～13號考查點(diǎn)在工況2條件下的掃頻數(shù)據(jù)

圖13 2～13號考查點(diǎn)在工況2條件下的匯流排系統(tǒng)應(yīng)力云圖

3.5 小 結(jié)

在背向、側(cè)向和垂向進(jìn)行掃頻計(jì)算時，綜合3個方向計(jì)算結(jié)果可知：在轉(zhuǎn)角處各考查點(diǎn)的應(yīng)力水平均低于10 MPa，遠(yuǎn)小于許用屈服應(yīng)力。

4 沖擊計(jì)算

按照要求對轉(zhuǎn)角配電柜及其匯流排系統(tǒng)進(jìn)行3個方向的沖擊分析[2]。按照設(shè)計(jì)沖擊譜的要求，轉(zhuǎn)角配電柜的沖擊譜轉(zhuǎn)化為組合三角波的沖擊曲線，將加速度時歷曲線轉(zhuǎn)換為位移時歷曲線，分別如圖14和圖15所示。

圖14 轉(zhuǎn)角配電柜不同方向沖擊譜加速度時歷曲線

圖15 轉(zhuǎn)角配電柜不同方向沖擊譜位移時歷曲線

轉(zhuǎn)角配電柜匯流排系統(tǒng)沖擊應(yīng)力云圖如圖16所示。

圖16 轉(zhuǎn)角配電柜匯流排系統(tǒng)不同方向沖擊應(yīng)力云圖

根據(jù)沖擊計(jì)算結(jié)果(見表15)，計(jì)算匯流排系統(tǒng)典型節(jié)點(diǎn)沖擊過程中的最大應(yīng)力和最大加速度[2,10-11]。

表15 不同方向沖擊計(jì)算結(jié)果

由表15可知：匯流排系統(tǒng)最大應(yīng)力響應(yīng)發(fā)生在垂向沖擊時，最大應(yīng)力為67.16 MPa，發(fā)生在匯流排系統(tǒng)與斷路器連接的轉(zhuǎn)角處，超過匯流排系統(tǒng)的許用屈服強(qiáng)度；在背向沖擊和側(cè)向沖擊時，應(yīng)力分布主要集中在垂直于沖擊方向的匯流排系統(tǒng)處，最大應(yīng)力還是分布在匯流排系統(tǒng)與斷路器連接的轉(zhuǎn)角處，分別為32.11 MPa和39.25 MPa。

5 結(jié) 論

(1)掃頻分析結(jié)果表明：在x方向進(jìn)行掃頻計(jì)算時，整個匯流排系統(tǒng)的應(yīng)力水平均小于40 MPa，低于匯流排系統(tǒng)的許用應(yīng)力；在y方向進(jìn)行掃頻計(jì)算時，整個匯流排系統(tǒng)的應(yīng)力水平均小于40 MPa，

低于匯流排系統(tǒng)的許用應(yīng)力；在z方向進(jìn)行掃頻計(jì)算時，整個匯流排系統(tǒng)的應(yīng)力水平均小于50 MPa，低于匯流排系統(tǒng)的許用應(yīng)力。

(2)沖擊分析結(jié)果表明：在垂向沖擊下，匯流排系統(tǒng)最大應(yīng)力大于許用應(yīng)力，其原因是斷路器質(zhì)量較大，斷路器安裝板厚度較小、剛度不足，因此其局部固有頻率與激勵頻率重合，產(chǎn)生共振，在匯流排系統(tǒng)連接處產(chǎn)生較大應(yīng)力，考慮其應(yīng)力水平較高，建議增加斷路器支撐剛度，以保證設(shè)計(jì)的可靠性；在背向和側(cè)向沖擊下，匯流排系統(tǒng)最大應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，可滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)在安裝減振器后，匯流排系統(tǒng)在3個方向的沖擊加速度均小于294.0 m/s2，可滿足設(shè)計(jì)要求。