转角配电柜汇流排系统在振动冲击下的应力分析

赵克威

(中国船舶电站设备有限公司，上海 200129)

0 引 言

在研究船舶电气设备的振动和冲击环境时，美国于20世纪50年代制订相关的船舶振动对应标准，并发布《船用设备的机械振动标准》。欧洲国家也相继对船舶电气设备的动态性能展开相关研究。我国于20世纪80年代开始着手并颁布相关测试方法，在船舶振动冲击方面陆续取得不少成果[1-2]。有限元分析法对一般结构进行动响应分析或随机谱分析已较为成熟，尤其对低频振动响应分析较为有效[2-3]。应用该方法不仅可得到相对精确的计算结果，而且可节约计算时间[2,4-7]。

某些舰船由于局部空间限制，需要配置转角型配电设备。在配电设备中存在转角型汇流排系统，作为供电电源母线。采用有限元仿真分析，对配电柜及其汇流排系统进行建模，模拟在振动冲击环境下汇流排系统的应力分布状况，并分析汇流排系统的受力情况，通过后续优化设计，使其整体结构强度和刚度满足振动冲击要求，并检验其安全性是否满足设计要求。

1 三维模型

转角配电柜及其汇流排系统的三维模型如图1所示。

图1 转角配电柜及其汇流排系统三维模型

根据上述三维模型，建立转角配电柜及其汇流排系统的有限元模型，如图2所示。

图2 转角配电柜及其汇流排系统的有限元模型

计算分析所选用材料的属性如表1所示，其中：片状模塑料(Sheet Molding Compounds，SMC)的属性由供应商的检测报告提供[2]。

表1 计算分析材料属性

2 加载试验

2.1 扫频要求

船舶设备的振动环境[2]如表2所示。

表2 船舶设备振动环境

2.2 冲击响应及响应度校核

船舶设备按不同安装区域可分为如下3类[2,8-9]：Ⅰ类安装区域的设备，指安装在01甲板以下的船舶主要构件(包括0甲板以下船体外板、主隔壁、内底及双层底顶板)上的设备；Ⅱ类安装区域的设备，指安装在01甲板以下各层甲板(含01甲板)、01甲板以下围壁、01甲板以上主隔壁和舷侧外板部位的设备；Ⅲ类安装区域的设备，指安装在01甲板以上各层甲板(不含01甲板)和01甲板以上主隔壁和侧壁板部位的设备。

根据安装位置，转角配电柜按照Ⅰ类设备机型进行3项冲击计算。上述3类设备的设计冲击谱[2,8-9]如表3所示。

表3 设备设计冲击谱

对于质量大于5 t的隔离系统而言，冲击谱的加速度a和速度v需要折减，折减公式分别为

(1)

(2)

式(1)～式(2)中：m为被检查设备质量；m0为设备质量；a0和v0分别为折减系数。

将设计冲击谱转换为组合三角波冲击信号[2]，如图3所示。

注：a2为正向加速度峰值；a4为反向加速度峰值；t2、t3为不同正向加速时间；t4、t5为不同反向加速时间图3 组合三角波冲击信号

假设设计冲击谱的加速度、速度和位移分别为a、v和D，则组合三角数学表达式[2]如下：

加速度az为

(3)

速度vz为

(4)

位移D1～D4为

(5)

式(3)～式(5)中：a2为正向加速度峰值；t为加速时间；t2、t3为不同正向加速时间；a4为反向加速度峰值；t4、t5为不同反向加速时间。

3 扫频分析

3.1 考查点分布及汇流排系统许用应力

根据给定的振动环境输入，在3个自由度方向(背向、垂向、侧向)计算相应条件下的稳态响应，给出汇流排系统区域的最大应力，作为强度校核的参考[2]。在计算结果处理上，重点考查汇流排系统转角处的应力，转角处节点对应的考查点编号如表4所示。

表4 汇流排系统转角处节点对应的考查点编号

汇流排系统的屈服应力σ取80.00 MPa，安全系数n取1.5，汇流排系统可承受的最大屈服应力σ1为

(6)

3.2 背向扫频分析

分别对工况1(1～16 Hz)和工况2(16～60 Hz)不同考查点路径进行背向扫频分析。

3.2.1 工况1

在工况1条件下，2～7号考查点扫频数据如表5所示，图4给出对应的汇流排系统应力云图。

表5 2～7号考查点在工况1条件下的扫频数据

图4 2～7号考查点在工况1条件下的汇流排系统应力云图

在工况1条件下，8～13号考查点扫频数据如表6所示，图5给出对应的汇流排系统应力云图。

表6 8～13号考查点在工况1条件下的扫频数据

3.2.2 工况2

在工况2条件下，2～7号考查点扫频数据如表7所示，图6给出对应的汇流排系统应力云图。

图5 8～13号考查点在工况1条件下的汇流排系统应力云图

表7 2～7号考查点在工况2条件下的扫频数据

图6 2～7号考查点在工况2条件下的汇流排系统应力云图

在工况2条件下，8～13号考查点扫频数据如表8所示，图7给出对应的汇流排系统应力云图。

表8 8～13号考查点在工况2条件下的扫频数据

图7 8～13号考查点在工况2条件下的汇流排系统应力云图

3.3 侧向扫频分析

分别对工况1(1～16 Hz)和 工况2(16～60 Hz)不同考查点路径进行侧向扫频分析。

3.3.1 工况1

在工况1条件下，2～7号考查点扫频数据如表9所示，图8给出对应的汇流排系统应力云图。

图8 2～7号考查点在工况1条件下的汇流排系统应力云图

表9 2～7号考查点在工况1条件下的扫频数据

在工况1条件下，8～13号考查点扫频数据如表10所示，图9给出对应的汇流排系统应力云图。

表10 8～13号考查点在工况1条件下的扫频数据

图9 8～13号考查点在工况1条件下的汇流排系统应力云图

3.3.2 工况2

在工况2条件下，2～7号考查点扫频数据如表11所示，图10给出对应的汇流排系统应力云图。

表11 2～7号考查点在工况2下的扫频数据

图10 2～7号考查点在工况2条件下的汇流排系统应力云图

在工况2条件下，8～13号考查点扫频数据如表12所示，图11给出对应的汇流排系统应力云图。

表12 8～13号考查点在工况2条件下的扫频数据

图11 8～13号考查点在工况2条件下的汇流排系统应力云图

3.4 垂向扫频分析

分别对工况1(1～16 Hz)和工况2(16～60 Hz)不同考查点路径进行垂向扫频分析。

3.4.1 工况1

在工况1条件下，2～13号考查点扫频数据如表13所示，图12给出对应的汇流排系统应力云图。

表13 2～13号考查点在工况1条件下的扫频数据

图12 2～13号考查点在工况1条件下的汇流排系统应力云图

3.4.2 工况2

在工况2条件下，2～13号考查点扫频数据如表14所示，图13给出对应的汇流排系统应力云图。

表14 2～13号考查点在工况2条件下的扫频数据

图13 2～13号考查点在工况2条件下的汇流排系统应力云图

3.5 小 结

在背向、侧向和垂向进行扫频计算时，综合3个方向计算结果可知：在转角处各考查点的应力水平均低于10 MPa，远小于许用屈服应力。

4 冲击计算

按照要求对转角配电柜及其汇流排系统进行3个方向的冲击分析[2]。按照设计冲击谱的要求，转角配电柜的冲击谱转化为组合三角波的冲击曲线，将加速度时历曲线转换为位移时历曲线，分别如图14和图15所示。

图14 转角配电柜不同方向冲击谱加速度时历曲线

图15 转角配电柜不同方向冲击谱位移时历曲线

转角配电柜汇流排系统冲击应力云图如图16所示。

图16 转角配电柜汇流排系统不同方向冲击应力云图

根据冲击计算结果(见表15)，计算汇流排系统典型节点冲击过程中的最大应力和最大加速度[2,10-11]。

表15 不同方向冲击计算结果

由表15可知：汇流排系统最大应力响应发生在垂向冲击时，最大应力为67.16 MPa，发生在汇流排系统与断路器连接的转角处，超过汇流排系统的许用屈服强度；在背向冲击和侧向冲击时，应力分布主要集中在垂直于冲击方向的汇流排系统处，最大应力还是分布在汇流排系统与断路器连接的转角处，分别为32.11 MPa和39.25 MPa。

5 结 论

(1)扫频分析结果表明：在x方向进行扫频计算时，整个汇流排系统的应力水平均小于40 MPa，低于汇流排系统的许用应力；在y方向进行扫频计算时，整个汇流排系统的应力水平均小于40 MPa，

低于汇流排系统的许用应力；在z方向进行扫频计算时，整个汇流排系统的应力水平均小于50 MPa，低于汇流排系统的许用应力。

(2)冲击分析结果表明：在垂向冲击下，汇流排系统最大应力大于许用应力，其原因是断路器质量较大，断路器安装板厚度较小、刚度不足，因此其局部固有频率与激励频率重合，产生共振，在汇流排系统连接处产生较大应力，考虑其应力水平较高，建议增加断路器支撑刚度，以保证设计的可靠性；在背向和侧向冲击下，汇流排系统最大应力均小于许用应力，可满足设计要求。

(3)在安装减振器后，汇流排系统在3个方向的冲击加速度均小于294.0 m/s2，可满足设计要求。