高速公路隧道机电系统热失效有限元仿真

郭竞杰

（福建省交通建设工程监理咨询有限公司，福建福州350002）

0 引言

高速公路隧道机电系统是一个系统的、全面的多方位控制系统，我国对于常见的通风、排水、亮化、监督、防灾等常规特征的管理，大多还是参考国外的管理经验，但我国的山体土质情况、空气湿度、环境温度等参数和国外有一定的差异，并且我国地域辽阔、四季温差和南北温差较大，因此对于机电系统热失效的研究我们应该有自己的知识体系。

1 隧道机电系统热失效造成的影响

为了保证高速公路的正常运营，给人们的出行带来方便，必须对隧道机电系统的热失效问题进行分析。隧道机电系统主要包括通信系统、收费系统、照明系统、监控系统。原理是采用温度传感器、光电传感器、计算机、控制电路板等电子设备进行工作。由于电子设备在工作的过程中会由于焦耳效应产生一定的热量，不仅会缩短电子设备的使用寿命，更严重的是还会导致电子设备工作失效。高速公路的车辆速度较快，若是照明系统或监控系统电子设备由于热失效而停止工作，将会带来严重的后果。隧道基本是建立在山丘地区，或者湖泊、海洋的下方，一旦由于电子设备的温度过高引起火灾，消防人员将无法有效开展工作，这也是潜在的隐患。综上所述，隧道机电系统热失效造成的后果十分严重，无论是为了保障高速公路的正常运行，还是为了保证人民群众的财产安全，对隧道机电系统热失效进行分析研究都十分必要。

2 ANSYS有限元仿真分析

ANSYS是国外大型有限元仿真分析软件，近年来在我国的各个领域都得到了广泛应用，其极大地缩短了产品的研发周期，也有效降低了产品的研发成本。本文将利用ANSYS软件对高速公路隧道机电系统热失效问题进行模拟仿真。

2.1 热失效模型的建立

焦耳热是指电子设备在通电过程中，需要克服内部电阻做功而产生的热量。电子设备的焦耳内阻主要包括组成电子设备各种材料的自身内阻及各部件材料之间接触所产生的电阻。

焦耳热Qj的表达式是：

式中，I表示电流大小；Rj表示焦耳内阻。

高速公路隧道机电系统电子设备的主要散热模式为对流换热，其影响因素较多，为了便于分析和计算，以牛顿冷却公式为其基本计算公式，即：

式中，Φ为换热量（W）；h为表面换热系数[W/（m2·K）]；A为换热面积（m2）；Δt为对流换热温差（℃），即固体壁面平均温度tw和流体平均温度tf的差值。

该计算式也可以改成为：

式中，Rw为对流换热热阻（m2·K/W）。

2.2 仿真模型的选取和建立

在通信系统、收费系统和照明系统中，照明系统的耗电量较大，因此其控制板通过的电流也较大。本文主要以照明系统的控制板为例进行模拟仿真，为了加快计算机求解的速度，删除了一些不必要的结构，将照明系统的控制板简化为一个长方体，其主要参数和等效数值如表1所示。

表1 电子设备内部各组分密度和导热系数

建立的等效长方体的主要外部尺寸为：300 mm×400 mm×200 mm，对其进行网格划分，划分后的模型如图1所示。

图1 网格划分

2.3 边界条件的添加与求解

在网格划分完成以后，将进行边界条件的添加。首先模拟在高温的夏天，环境温度为40℃，高速公司隧道机电系统控制箱体大电流持续工作且不添加任何散热设备的情况下的温升情况，求解后的结果如图2所示。

此时控制箱的最高温度为74℃，其位置为控制箱的中间部位，尽管控制箱的四周散热效果较好，但是其温度也达到了48℃，在这样的温度环境下，其控制线路极易老化，并且发生火灾的概率也较大。

图2 夏季40℃控制箱温升情况

其次，模拟在春天、秋天，环境温度为25℃，高速公路隧道机电系统控制箱体大电流持续工作且不添加任何散热设备的情况下的温升情况，求解后的结果如图3所示。

图3 春季、秋季25℃控制箱温升情况

此时控制箱的最高温度为34℃，其位置为控制箱的中间部位，控制箱四周的温度达到了26℃，在这样的温度环境下，其控制线路存在老化的风险，并且也具有发生火灾的可能。

最后，模拟在冬天，环境温度为0℃，高速公路隧道机电系统控制箱体大电流持续工作且不添加任何散热设备的情况下的温升情况，求解后的结果如图4所示。

图4 冬季0℃控制箱温升情况

此时控制箱的最高温度为28℃，其位置为控制箱的中间部位，控制箱四周的温度达到了24℃，在这样的温度环境下，其控制线路不存在老化的风险，并且也不具有发生火灾的可能。

综合上述情况可以发现，夏季为高速公路隧道机电控制系统热失效的主要季节，春季、秋季也存在一定的线路老化和发生火灾的可能，冬季基本不用考虑机电系统热失效的问题。

2.4 热失效问题的改善和优化

为了避免高速公路隧道机电系统出现热失效的问题，需要对发热量较大的设备添加散热设备，例如风扇散热、液冷散热、相变材料散热，并且应将发热量较大的控制箱安装固定在通风环境下，避免安置在闭塞的墙体内部。经过加装散热设备后，再次模拟夏季40℃环境温度下控制箱的温升情况，求解结果如图5所示。

图5 优化后控制箱的温升情况

此时控制箱的最高温度为29℃，其位置为控制箱的中间部位，控制箱四周的温度为24℃，在这样的温度环境下，其控制线路不存在老化的风险，并且也不具有发生火灾的可能。

3 结语

在高速公路隧道机电系统的管理过程中，要充分重视热失效引发的问题，并且还要做好系统的维护工作，加强对机电设备维护人员的专业性培训。对于温度过高的控制系统要加装有效的散热设备，以保证隧道机电系统的正常运行。