基于响应谱法的机柜抗震性能研究

2017-07-31代廷振顾锦书高学斌

综合智慧能源 2017年7期

关键词：侧门机柜抗震

代廷振，顾锦书，高学斌

(南京国电南自电网自动化有限公司，南京 211153)

基于响应谱法的机柜抗震性能研究

代廷振，顾锦书，高学斌

(南京国电南自电网自动化有限公司，南京 211153)

采用有限元分析软件(ANSYSWorkbench)对某智能电网二次机柜进行模态分析，研究其动力学特性，在此基础运用响应谱法进行机柜的抗震研究。通过仿真获得机柜的薄弱环节，并以此进行优化，使抗震机柜薄弱处的变形和应力得到改善进而提高其抗震能力。本文旨在为机柜抗震设计、改进提供一种有效、便捷的方法，同时为后续电子设备地震试验提供有效的参考数据。

机柜；抗震性能；有限元分析软件；响应谱法；模拟分析；仿真研究

0 引言

以电网自动化和工业控制、继电保护及柔性输电等为代表的智能电网电力二次设备是集监测、通信、控制等于一体化的高度智能化电力设备，是保证电网可靠运行的神经中枢[1]。电子设备机柜作为智能化电子设备的载体，其一般由立柱、横梁、前后门、侧板、插箱等组成[2]，同时要求其具有较高的可靠性。

近年来，我国地质灾害频发，如汶川大地震对四川电网电力设施造成重大损坏[3]。因此，提高机柜的抗震能力，减少地震破坏具有重大的现实意义。本文以某工程要求为依托，以实现其能够抵抗设防烈度9度为目标，对机柜进行了抗震性能的研究。

1 结构抗震理论

对于结构抗震设计，其主要包括静力法、响应谱法、时程分析法。其中：静力法假定结构是刚性的，没有考虑结构的动力学特性；响应谱法是在静力学基础上的进一步发展，考虑结构的动力学特性、地基结构的影响，是结构抗震设计最常用的方法；时程分析法是将实际的地震加速度时程记录作为动载荷直接输入，其计算结果精确，但是对计算机要求极高，计算时间久、代价大，实际应用较少[4]。

响应谱表征了地震动加速度时间过程作用于单自由度弹性体系的最大反应(加速度、速度和位移)随体系的自振特性(周期和阻尼比)变化的函数关系[5]。

在结构抗震设计中，地震响应谱曲线主要由地震影响系数α及重力加速度g来确定，其二者的乘积即为地震响应谱曲线。因此，地震影响系数α的确定是关键，本文采用GB 50260—2013《电力设施抗震设计规范》标准规定的地震影响系数曲线，其曲线如图1所示。

图1 地震影响系数曲线

由图1所示，地震影响系数曲线与最大地震影响系数αmax、斜率调整系数η1、阻尼调整系数η2、衰减系数γ及特征周期Tg有关。其中地震影响系数αmax根据工程需要及规范查表取其值为1，η1，η2，γ的值与阻尼比ζ有关，本文取钢结构的阻尼比ζ为0.05，根据标准内相关公式得出η1，η2，γ，Tg分别为0.02，1.00，0.90，0.40，最终得到地震影响系数的曲线公式如下，其将作为后续地震响应谱输入到ANSYSWorkbench中进行抗震计算。

2 机柜抗震性能分析

对于机柜抗震分析，采用ANSYSWorkbench为平台，采用模态(Modal)分析模块及响应谱(ResponseSpectrum)分析模块进行计算。模态分析是动力学分析的基础，响应谱分析即响应谱法，是模态分析的延伸，其主要通过模态得到的固有频率和振型计算结构对地震或者其他激励的响应。

2.1 有限元模型的建立

电子机柜主要由钣金件构成，其尺寸为800mm×600mm×2 200mm，材料为Q235，密度为7 850kg/m3，杨氏模量为2×105MPa，泊松比为0.3；前门玻璃，密度为2 560kg/m3，杨氏模量为7.2×104MPa，泊松比为0.2。本文中对几何模型进行了适当简化，比如去除圆角，去除不必要构件，以减少其计算量，同时将机柜内部的机箱简化为质量点施加到承载面上，将焊接框架及螺钉连接的构件采用绑定约束，对于铰链则采用旋转运动副进行约束。由于机柜主要由钣金件构成，其采用实体单元进行网格划分质量会很差，所以采用抽中面(Mid-surface)将三维实体几何模型转换为壳体单元，有助于提高网格质量，同时减少计算量。

2.2 框架模态分析及响应谱分析

模态分析是动力学分析中的一种，其中动力学通用方程为

所以模态的固有频率与振型只与质量矩阵[M]、结构刚度[K]有关。

本文分别计算未带加强块的机柜框架和带加强块的机柜框架的模态，其二者的区别为横梁两侧是否有三角形加强块，如图2所示。然后分别对底部地脚螺栓固定处的槽口采用固定约束，最终分别得到100 Hz以内的共振频率见表1。

图2 加强块位置

振型频率/Hz框架无加强块框架有加强块113．08513．742234．36535．389339．67439．721457．39757．137559．60659．612660．17459．886764．85963．650868．41967．798978．78678．6131082．95482．5021188．23788．2381291．06490．720

通过表1可得出，有加强块机柜框架与无加强块框架相比，其固有频率相差不大。因此，增加加强块对于机柜框架的模态几乎没有影响。由于响应谱法是以模态为基础进行计算的，由于二者模态基本相同，其后续结果均一致，因此后续框架分析均是以无加强块框架进行分析，不再考虑有加强块框架的分析。

机柜框架的前三阶固有频率和振型如图3所示，本文假定前后门方向为X轴，侧门方向为Y轴，竖直方向为Z轴，其前三阶振型分别为沿Y轴方向的弯曲、X轴方向的弯曲及沿Z轴方向的扭转。其中第1阶与第2阶频率相差较大，在20 Hz左右，说明沿X轴方向的结构刚度远高于沿Y轴方向的结构刚度，也从侧面证明X轴方向结构刚度已足够大，因此在其方向上添加加强块对结果影响不大。

图3 机柜框架前三阶振型

在得到模态分析结果之后，将地震影响系数曲线函数输入到ANSYS Workbench。在分析设置中设定为单点激励，并在加速度激励中将边界条件设置为All BC support，即所有固定点均受到响应谱的激励，并分别计算X轴方向和Y轴方向的变形量和等效应力，得到结果如图4所示。

图4 机柜变形量和应力值

图5 传统机柜变形及应力

通过框架分析可以得出，其在X方向响应谱激励时，得到的变形量为最大值0.25 mm，应力最大值为23.0 MPa。在Y方向响应谱激励时，得到的变形量为最大值1.70 mm，应力最大值为142 MPa。其中最大变形均发生在顶部部分，相对于2 200 mm的高度其变化量很小，最大应力值均产生在地脚螺栓固定处，远远小于屈服强度235 MPa，能够满足抗9级烈度地震的要求。

2.3 机柜模态分析及响应谱分析

传统机柜的前后门是由上下门轴进行连接的，其侧门下部通过定位销连接，上部通过两个翻板锁连接。对其进行模态分析后，其前18阶模态结果见表2，共振频率较低且大部分均为前后门、侧门、顶盖的局部共振，第18阶模态为整体共振，共振频率为30 Hz。

与框架响应谱分析相同，其分析结果如图5所示，其在X方向响应谱激励时，得到的变形量为最大值4.0 mm，应力最大值为210.0 MPa。在Y方向响应谱激励时，得到的变形量为最大值3.5 mm，应力最大值为58.0 MPa。其中，最大变形分别发生在侧门和前后门处，最大应力值均产生在锁杆连接处。由于锁杆与框架之间简化为绑定约束，其实际应力值会比计算值偏小，此处仅做参考。

针对以上分析结果，发现前门、后门、侧门部分变形较大，因此本文对前后门改为铰链固定，同时增加连接点数量；侧门连接改为螺栓连接，并增加固定点，如图6所示。改进后的模态结果见表3，其中20 Hz以下的前后门、侧门的局部共振大部分得到抑制，其第1阶固有频率也由9.9 Hz提高到12.2 Hz，整体共振频率为18阶，也稍有提高。

表2 传统机柜模态仿真结果

其响应谱分析相同分析结果如图7所示，其在X方向响应谱激励时，得到的变形量由最大值4.0 mm减小为2.5 mm，应力最大值由210.0 MPa减小为164.0 MPa。在Y方向响应谱激励时，变形量为最大值由3.5 mm减小为0.9 mm，应力最大值由58.0 MPa减小为50.0 MPa，变化不明显。其中，最大变形和最大应力值发生位置与传统型相同。通过增加连接点数量改进之后，可以得出机柜的前后门、侧门的变形量、应力较改进前进一步减小，提高了抗震性能。