沈阳地铁1号线变流器功率模块强度仿真研究

王道阔，赵勃涵，胡勇

摘 要：功率模块是变流器的核心部件，对安全性要求很高，在设计时需充分考虑其结构强度，但设计不能富余太多否则会使成本大幅提高，因此，如何在充分保证其结构强度的前提下尽可能的降低成本成为必须考虑的问题。文章基于有限元分析理论，运用SolidWorks对功率模块进行结构强度分析，在设计开发阶段对产品进行模拟仿真，达到保证其结构强度的目的，同时可以优化产品结构以降低成本。

关键词：功率模块;有限元分析;结构强度;SolidWorks

机车牵引变流器功率模块将1 500 V直流母线电压转换为三相交流电输出到牵引电机，驱动其运转，功率模块安装在变流器装置内部，变流器装置一般采用吊装的方式安装在列车下方。

利用有限元法对功率模块框架进行静动态分析，了解模块框架应力和变形的情况，对模块框架设计是非常必要的。

1 有限元分析概述

有限单元法（Finite Element Analysis，FEA）是一种求解关于场问题的一系列偏微分方程的数值方法[1]。该类型的问题涉及许多工程学科，如机械设计、声学、电磁学、岩土力学、流体动力学等。在机械工程中，有限元分析被广泛地应用在结构、振动和传热问题上。

所有FEA的第一步是相同的，都是从几何模型开始。在本文中即为SlidWorks的零件和装配体，给这些模型分配材料属性，定义载荷和约束，再使用数值近似方法，将模型离散化以便分析。当使用有限单元工作时，FEA求解器将把单个单元的简单解综合成对整个模型的近似解，以此得到期望的结构（如变形或应力）。因此，应用FEA软件分析问题时，有以下3个基本步骤：

（1）预处理，定义静态、热传导、频率等分析类型，添加材料属性，施加载荷和约束，网格划分。

（2）求解，計算所需结果。

（3）后处理，分析结果。

2 功率模块的组成与结构分析

功率模块由模块框架、散热器、电容等零部件构成。模块框架所受载荷主要来自散热器和电容，其中散热器重量为60 kg，电容重量为63 kg[2]，其结构如图1所示。

2.1 功率模块的建模准备

在建立功率模块结构数学模型时，为避免问题变得过于复杂，应在尽可能如实反映功率模块结构主要力学特征的前提下，对模型进行适当的简化。

2.1.1 简化模型

（1）对于一些小的子部件，如电容组件、绝缘板组件等进行省去。

（2）因散热器罩只是起到保护作用，也可省去。

（3）为了节省SolidWorks运行分析时间，对所用到的紧固件、扎线杆等进行省去，简化后的模型如图2所示。

2.1.2 材料属性和常数的设定及接触条件处理

因为功率模块的模块框架为薄壁钣金结构，在进行数学建模时，可以使用壳单元进行分析。由于柜体体积较大，为减少计算时间，可使用一阶三角形壳单元进行初步分析，再用二阶三角形壳单元对局部进行详细分析。模块框架所用的材料为Q235钢和Q195钢。将模块框架的接触条件定义为全局接触（接合）[3]。

2.1.3 夹具设定

夹具设定及载荷处理如图3所示，功率模块采用8颗螺栓固定在变流器装置内部（前后各4颗螺栓），同时变流器柜体内部导轨支撑功率模块底部，故夹具可在8颗螺栓处和模块框架底部设定为固定几何体。网格划分的样式如图4所示。

2.2 载荷处理

模块框架所受载荷主要来自散热器和电容，其中散热器重量为60 kg（600 N），电容重量为63 kg（630 N）。应力、位移、应变分布结果如图5所示。

3 结语

本文以功率模块为对象，运用SolidWorks一系列插件功能建立了功率模块的仿真模型，对功率模块的结构强度进行了分析。运用该设计牵引变流器功率模块已经成功进行了正线满载和运营实验，实验结果符合设计要求。结果表明：仿真分析可以在设计初期有效地验证设计结果，为设计人员提供方案对比手段，能够有效提高设计可靠性，对缩短研发周期、降低研发成本具有极大的应用价值。

[参考文献]

[1]曾攀.有限元基础教程[M].北京：清华大学出版社，2008.

[2]陈超祥，胡其登.SolidWorks Simulation高级教程[M].北京：机械工业出版社，2013.

[3]《机械工程材料性能数据手册》编委会.机械工程材料性能数据手册[M].北京：机械工业出版社，1994.

Simulation research on converter power module strength of Shenyang metro line 1

Wang Daokuo1， Zhao Bohan1， Hu Yong2

（1.Operation Branch of Shenyang Metro Group Co.， Ltd.， Shenyang 110141， China;2.Zhuzhou Shiling Transportation Equipment Co.， Ltd.， Zhuzhou 412007， China）

Abstract：The power module is the core component of the converter， and the safety requirements are very high. When designing， the structural strength must be fully considered， but the design can not be excessive and the cost is greatly increased. How to reduce the cost as far as possible without fully ensuring its structural strength has become a must to consider Based on the theory of finite element analysis， this paper analyzes the structural strength of the power module by using Solidwoks， and simulates the product at the design and development stage to ensure its structural strength， and can optimize the product structure to reduce costs.

Key words：power module; the finite element analysis; the structural strength; SolidWoks