基于有限元法分析逆变器柜体静强度

王野

中车大连电力牵引研发中心有限公司 辽宁 大连 116000

最近几年，随着社会经济水平的不断提高和铁路运输行业的不断发展，我国对逆变器柜体质量提出了更高的要求，使得逆变器柜体具有重量轻、体积小、品质好等特征。逆变器柜体设计在电气传动性能优化方面发挥出重要作用，不仅确保电气设备能够可靠、稳定、安全地运行，还能实现电子元件与电器元件的充分结合，因此，为了提高电气设备的运行性能，在有限元法分析法的应用背景下，如何科学处理逆变器柜体静强度是相关人员必须思考和解决的问题。

1 有限元分析法概述

有限元法分析法首先需要采用离散处理的方式，将实体几何划分成若干个小单元，然后，将各个单元的节点进行有效连接，形成一个新的有限元模型，接着，对复杂结构进行拆分处理，使其转化为简单的有限元问题[1]，最后，采用归纳求解的方式，将有限元问题转化为线型方程问题。在对单元网格进行划分的过程中，相关人员要灵活运用有限元思想，科学调整和控制柜体结构形状以及尺寸大小，使得复杂的几何模型问题变得更加简单化，为后期高效地处理几何模型打下坚实的基础。此外，还要充分利用有限元思想的易于理解性和计算结果高精度性等特征，有效地解决项目工程中出现的各种应力分析问题。

2 逆变器柜体静强度分析

2.1 建模注意事项

在构建柜体有限元模型的过程中，相关人员要充分利用Hypermesh软件，从以下几个方面入手，选择合适的单元，对柜体结构进行仿真处理，以保证预期应力计算结果可靠性和准确性，只有这样，才能保证柜体有限元模型构建的科学性和合理性。

2.2 模型简化

实体模型简化处理作为建立柜体有限元模型的首要环节，在具体的实施中，需要相关人员在参照物理模型的基础上，完成对柜体力学模型的创建。同时，在对实体模型进行导入操作之前，需要在综合考虑建模时间和计算结果准确性的前提下，根据实际需求，完成对实体模型的科学简化，确保所简化的实体模型能够真实有效地反映出原有柜体结构力学特性，此外，还要尽可能提高虚拟仿真结果的可靠性[2]。

2.3 网格划分

网格单元划分质量直接影响了柜体有限元模型计算结果的可靠性和准确性，因此，相关人员要从网格数量控制和网格疏密性调整两个环节出发，完成对网格的合理划分。在控制网格数量的过程中，相关人员要针对最终的计算结果，对数值仿真结果进行科学调整，确保网格数量与计算结果的精确度之间存在正相关关系，此外，还要保证所设置的网格数量具有较高的经济性和实用性，为后期更好地优化网格，提高计算结果的精确性打下坚实的基础。网格疏密性控制主要是指针对柜体结构的应力大小，对单元网格进行科学划分，以达到提高计算结果可靠性和真实性的目的，同时，对于应力比较集中的网格，要将其划分为比较细密的网格，对于承受应力较小的单元网格，需要将其划分为比较疏松的单元网格。

2.4 建立柜体有限元模型

2.4.1 有限元模型。逆变器柜体主要由以下两个部分组成，分别是钣金件、和方钢，然后，在逆变器柜体板上安装多种的电器设备，如电子电容器、散热膜、控制箱等。同时，在结合几何模型的基础上，通过使用proE软件，对STP格式进行转换，使其变为IGES格式，然后，使用相关设计软件，以划分单元的方式，对逆变器柜体进行离散处理，从而得到如图1所示的柜体有限元模型，此外，还要尽可能提高柜体有限元模型的构建水平，为保证后期仿真计算结果的可靠性和准确性提供重要的依据和参考。

图1 柜体有限元模型

2.4.2 材料性能。本次所选用的柜体材料为06Cr19Ni10，该柜体材料性能参数如表1所示。

表1 材料性能参数

2.4.3 计算工况及约束边界条件。逆变器柜体在具体的使用中，需要将其放置于吊耳附近，同时，还要将八个螺栓安装和固定在柜体底架横梁上，确保柜体与车体之间不出现相对运动，此外，还要将螺栓孔设置为六个不同大小的自由度，接着，严格按照EN6137施加相关标准和要求，完成柜体计算荷载的统计和汇总，然后，在惯性力的作用下，确保柜体的应力水平达到正常状态。

2.5 有限元静力分析

2.5.1 静力分析步骤。为充分发挥有限元分析法的应用优势，相关人员要严格按照以下操作步骤，完成有限元静力的科学分析。①柜体有限元模型的科学创建。在这一环节中，相关人员要将几何模型、定义材料、网格划分等相关信息输入到指定的系统中，以达到成功建模的目的。②柜体荷载施加与求解。在这一环节中，相关人员要采用施加载荷的方式，根据设定好的约束条件，完成对静力分析结果的计算和汇总。③结果查看。为了检验最终计算结果的可靠性和准确性，相关人员要认真检查分析结果，一旦发现计算结果误差偏大，要及时纠正，避免因计算结果不准确而影响后期逆变器柜体静强度控制水平。

2.5.2 计算结果分析。在分析最终计算结果的过程中，相关人员要在充分结合逆变器柜体结构特点和运行环境的基础上，对柜体有限元网格构建质量进行检验，以保证有限元网格设计符合相关标准和要求，只有这样，才能确保车体与柜体连接的稳定性、可靠性和安全性。此外，相关人员还要根据电子元件使用需求，借助柜体结构，不断修改、优化和完善相关模拟方案，确保所构建的柜体有限元模型能够真实地反映柜体结构实际参数，确保柜体结构参数设计的科学性和合理性。另外，还要将五种不同的工况导入到相关分析软件中，对各个工况的最大应力和最大位移进行计算和统计，从而得出不同工况对应计算结果。在不同工况下，逆变器柜体最大相对位移达到了2.44mm，这种现象主要发生在柱梁焊缝处，而其他工况对应的柜体结构最大应力和最大位移相对较小。在吊座附近处，发现工况4的最大应力达到了152.73MPa，由此可见，柜体结构刚度和强度均符合静力设计相关标准和要求。

3 结束语

综上所述，在有限元法分析法的应用背景下，为进一步提高电气设备的运行性能，相关人员要加强对逆变器柜体静强度的科学处理。首先，汇总出逆变器柜体静强度在不同工况下的分析结果，然后，从检测刚度和检测强度两个环节出发，对逆变器柜体质量进行检测，确保柜体质量达标，同时，还要根据柜体整体结构应力分布特点，发现柜体最大应力远远小于屈服强度值，说明柜体静强度符合产品设计标准和要求。为后期更好地优化电气设备运行性能提供重要的依据和参考。