中压交流真空断路器均压环抗冲击性能仿真分析

黄 镭，任 萍，涂 煜

（1. 船舶综合电力技术重点实验室，武汉 430064; 2. 武汉长海电气科技开发有限公司，武汉 430000;）

0 引言

抗冲击性能是船舶机电设备的一项重要考核项目，用以评估设备是否具备战时工作可靠性。其考核方法一般分为实际冲击试验和数值仿真分析两种，其中，实际冲击试验方法较为可靠，但存在试验设备体积受限、试验成本高等问题，而数值仿真方法更加灵活便捷。基于对实船爆破试验数据的积累研究，船舶机电设备的抗冲击设计理论方法逐渐从静态发展到动态，从线性趋向于非线性。目前，常用加载频域冲击谱或时历载荷曲线对设备抗冲击性能进行研究。频域载荷的动力学设计分析法能够得到设备应力峰值分布情况[1-2]，但该方法忽略了设备的非线性效应；时域载荷考虑了设备的非线性效应，可以得到设备结构在冲击载荷作用下各个时刻的瞬态响应，但对计算模型要求较高[3～4]。

本文采用时域冲击载荷研究设备部件的抗冲击性能，通过数值仿真方法对设备模型进行仿真分析，确定设备的瞬态响应特性，并提出改进结构的方法，验证改进后结构的合理性。

1 有限元分析

1.1 有限元模型建立

断路器样机均压环采用螺栓连接方式安装在绝缘子一侧，对均压环固定螺孔周围布置映射面模拟螺栓固定情况，并设置材料如表1所示。

表1 材料参数表

模型的网格划分主要通过控制网格的尺寸和类型来实现。网格尺寸方面，进行结构动力学分析的有限元模型网格要求尽可能趋于均匀分布；网格类型方面，六面体网格的计算误差小于四面体或五面体，且计算效率更高，节点数更少，因此在网格划分过程中首选六面体单元进行划分。对网格总体质量的评估选用Mesh Quality进行评估，对于结构分析，Mesh Quality大于50%即可进行计算，本模型Mesh Quality为85%，满足要求网格划分后，整个有限元模型节点总数为26560，单元总数为15574。

图1 均压环有限元模型

1.2 模态分析

模态分析是一种用来确定结构动力特性的技术，后续结构的仿真分析在此基础上进行。根据模态分析理论，求解模型固有特性。模型前6阶固有频率如表2所示。

表2 固有频率

2 瞬态响应分析

2.1 冲击载荷

依据GJB 1060.1-91[5]和BV 043-85[6]中公式，计算冲击载荷时历曲线的各项参数。

表1 输入设计加速度表

其中各项参数如表4所示，冲击载荷图如图2所示：

图2 时历冲击载荷曲线

表4 正负三角波参数表

2.2 瞬态响应分析

2.2.1 结构瞬态响应分析

将三向冲击载荷分别加载于均压环，均压环各向载荷作用下应力分布情况如图3所示。

图3 三向冲击载荷作用下均压环峰值应力分布云图

由图3可以看出，该固定结构的均压环在横向和垂向载荷作用下的响应结果较为剧烈。且应力集中区域主要分布在环体与安装板焊接位置。依据GJB1060.1-91[3]许用应力标准章节的规定，允许微小永久变形弹性设计设备，应力不超过实际屈服强度。由于均压环的微小永久变形不会影响断路器电气性能，因此定义这类部件为允许永久变形部件，其许用应力为实际屈服强度。

其中，σy为材料屈服强度；σb为材料极限强度；G值选用0.5。

定义无量纲系数n，描述冲击载荷作用下考核部位是否失效。

其中，σvon-mise为考核部位应力峰值，单位为MPa；σ为屈服强度，单位为MPa。

提取模型在各向载荷下响应最剧烈时刻的各节点应力值，计算其超出许用应力的节点数目，如表5所示。

表5 模型安全系数表

由表5数据和图3云图可以看出，该结构均压环的抗冲击性能较差。

2.2.2 改进后结构瞬态响应分析

对均压环结构进行改进，在对称位置增加固定连接，并重新建立有限元模型，对模型进行相同方式的网格划分，并求解模型模态特性，其前6阶固有频率如表6所示。

表6 固有频率值

对改进后模型加载冲击载荷，应力响应结果如图4所示。由图4结果可以看出，模型在各向载荷作用下响应最为剧烈时刻的应力峰值远小于许用应力，模型危险区域应力分布情况得到改善。

图4 三向冲击载荷作用下均压环峰值应力分布云图

3 结论

文中采用数值仿真方法研究了断路器均压环的抗冲击性能，得到如下结论：

1）原结构均压环环体与安装板焊接位置在横向载荷和纵向载荷作用下，存在应力危险区域。

2）改进后对称安装方式的均压环在各向冲击载荷作用下均不存在应力危险区域，改进后结构抗冲击性能较好。