船用电器柜顶部支撑结构优化设计

俞科云，黄逢昱，汪正炜

船用电器柜顶部支撑结构优化设计

俞科云1，黄逢昱2，汪正炜2

(1．海装驻武汉地区第一军事代表室，武汉 430000；2．武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064)

针对船内电器柜受到外部冲击可能发生功能失效这一现象，对船用电器柜顶部支撑结构进行优化，增强其抗冲击性能，并采用有限元法对优化前后的船用电器柜结构进行抗冲击性能仿真。通过对比分析得出该优化方案能够改善船用电器柜的抗冲击性能，可以为同类型的设备结构设计提供参考。

船用电器柜 顶部支撑有限元法抗冲击

0 引言

船用设备的抗冲击性能是船上设备在遇到强力冲击时能否正常运行的关键，对于抗冲击性能的优化研究一直是关注的重点内容。船用设备所受到的冲击类型主要有碰撞冲击、接触性爆炸冲击和非接触爆炸冲击等。冲击载荷作用于船体结构，经过设备与船体间的固定装置传递至设备本体，产生相应的冲击应力应变和冲击响应位移。若超出设备的抗冲击能力，可能会导致设备功能失效，甚至损坏。

为设计出高性能的抗冲击系统，众多学者在材料、结构、连接方式等方面进行了研究。张相闻[1]等采用已在航空航天领域应用的蜂窝材料，设计出一种新型的蜂窝基座抗冲击结构，具有良好的抗冲击性能。任晨辉[2]等通过对余弦梁的负刚度特性研究，提出设备与船体间通过多层余弦梁结构连接来替代传统隔振器的抗冲击系统。陈荣[3]等对船舶机控设备的隔冲装置进行性能分析，研究其对设备抗冲击性能的影响。向昊[4]在常规冲击性能评估方法的基础上进行改进，提出了精确度更高的评估方法。本文对船用电器柜顶部支撑结构进行优化研究，通过添加加强筋来提高其抗冲击性能，并采用有限元法进行仿真计算，与传统支撑结构进行对比分析。

1 电器柜顶部支撑动力学模型

船用电器柜与船体采用弹性或刚性连接，根据空间位置摆放，其固定方式可分为立式和壁挂式。电器柜内装有大量精密电气电子元器件，控制船舶机电设备正常工作。在弹性连接中，通常采用钢丝绳隔振器来降低外部冲击对柜内设备的影响。对于钢丝绳隔振器连接的壁挂式船用电器柜，本文提出在原有顶部L型撑板支撑的基础上添加加强筋增强结构强度，并进一步研究加强筋尺寸型号对其抗冲击性能的影响。

根据上述设计思路，建立结构优化前后的船用电器柜顶部支撑动力学模型。本文仅对顶部支撑结构做出改进，电器柜框架主体以及固定方式完全一致，为便于仿真计算分析，将电器柜内部设备简化为质点，钢丝绳隔振器简化为三向弹簧，仅对其顶部支撑结构进行考核。

1）L型顶部支撑结构：在电器柜的顶部安装L型撑板，再通过隔振器固定在船舱壁上，如图1所示。

图1 L型顶部支撑结构示意图

2）加强筋式顶部支撑结构：在原有L型撑板的基础上焊接加强筋，再与隔振器连接固定在船舱壁上，如图2所示。

图2 加强筋式顶部支撑结构示意图

为进一步研究加强筋在改善电器柜抗冲击性能中发挥的作用，建立了多种尺寸型号的加强筋式顶部支撑结构模型，见表1。

2 冲击环境设计

2.1 电器柜冲击环境分析

对电器柜的抗冲击结构优化设计仿真时，应先设计符合标准的冲击环境条件。通常来说，船用电器柜的冲击环境是在冲击载荷下，从设备所受到的冲击加速度，冲击速度、位移三方面来进行描述，即“冲击响应谱”。

设备的冲击响应谱值受到不同方向的冲击会产生较大差异，因此在进行船舶设计时，应考虑内部设备的空间位置对设备抗冲击性能的影响[5]。壁挂式电器柜在安装时，底部通过隔振器与船体相连，主要承受垂向冲击，顶部通过隔振器与船舱壁相连，主要承受横向或纵向冲击。本文着重对电器柜顶部支撑结构进行研究，因此，选取一横向冲击加速度进行仿真计算。

表1 电器柜顶部支撑结构分类

2.2 电器柜冲击环境设计标准

根据GJB1060.1-91“舰船环境条件要求-机械环境”中对舰船结构以及设备的冲击设计要求，将设备的抗冲击等级按对舰船性能的影响分为A、B、C三级。电器柜内装有控制开关和各种电子元器件，是确保舰船航行和作战能力的重要设备，应定为Ａ级。

对水面舰船来说，根据设备安装的空间位置，将之分为船体部位安装设备（甲类）、甲板部位安装设备（乙类）和外板部位安装设备（丙类）。电器柜位于船体机舱处，采用隔振器与舱壁连接，应归为甲类设备。此外，电器柜在受到冲击后应确保不会产生永久形变，防止对柜内元器件造成损坏，在选用冲击环境设计值时，应选择弹性设计。

经过上述分析，船用电器柜的冲击环境设计值选取如表2所示。

表2 船用电器柜冲击环境设计值

表中A、V表示选用弹性设计时对应的加速度和速度值，取A和Vω两者中较小的作为动力学分析系统中的冲击设计加速度，用D表示；A0、V0是对应船用设备的基准加速度和速度值，可通过公式（1）、（2）计算。

式中：m－设备的模态质量，t；0、0－标称加速度谱和速度谱，单位分别是m/s2和m/s。

3 仿真试验

3.1 仿真过程

1）仅考虑材料的线弹性物理性质，不考虑材料的塑性特性，材质均匀无缺陷；

2）假设焊缝材料与主体材料性能相同，且为满焊；

3）柜内设备如功率模块、电抗器等采用质量点模拟；

4）设备所用的隔振器简化为三向弹簧；

5）不考虑构件安装的初始应力，不考虑加工误差；

6）由于未知基座模型，不考虑设备基座的抗冲击性能，认为其满足正常工作要求，其频率相对于隔振器安装可等效为刚性,隔振器安装位置固支。

结合电器柜实际安装情况及抗冲击仿真评估要求，对模型施加如下边界条件如下：

a）主框架焊接而成，设置成绑定，个别使用螺栓连接的位置也设置成绑定；

b）底部弹簧一端和主框架底部绑定在一起，另一端固定；

c）顶部支撑结构底板与主框架顶部绑定，侧板与弹簧一端绑定，弹簧另一端固定。

以模型2为例，Ｌ型撑板底部与电器柜框架连接，侧边与隔振器连接，采用六边形单元对三维模型进行网格划分，其有限元模型如图3所示。

本文主要对电器柜顶部支撑结构进行优化，为便于观察，截取其顶部支撑结构部分，如图4所示。

图3 有限元模型

图4 顶部支撑有限元模型

统计本文列举的电器柜顶部支撑结构有限元模型单元，见表3。

表3 有限元模型单元统计表

3.2 电器柜顶部支撑冲击响应特性结果分析

图5中选取了模型1~6在横向冲击载荷作用下的应力分布云图。从图中可看出，模型1无加强筋结构，最大应力位于L型撑板折弯处，在冲击载荷的作用下，顶部支撑侧板发生变形。模型2~6是选取了参数b不变，仅改变参数a的加强筋结构冲击响应应力分布云图，最大应力位于加强筋与L型撑板侧面焊接处。在撑板厚度减少一半的情况下，焊接加强筋的撑板仍具有良好的稳固性，虽然模型2、3最大应力超出材料的屈服极限，但区域较小，不影响结构的整体强度。同时，还可看出随着a值的增加，顶部支撑结构的最大应力逐步减小，直至达到最佳；继续增大a值，其最大应力又逐步增大。

图6给出了加强筋参数b的选取对电器柜抗冲击性能影响的冲击响应应力云图。从图中可看出，电器柜顶部支撑的最大应力与b值的选取呈负相关。但当b值增大到一定程度时，对顶部支撑最大应力的影响降低。

图5 冲击响应应力云图（1）

4 结论

本文采用有限元法对电器柜顶部支撑结构进行了冲击仿真模拟，考虑到电器柜的冲击环境、加工难度、重量等因素，设计了一种在原有L型撑板的基础上焊接加强筋增强其结构强度，以此来达到提高电器柜抗冲击性能的目的。由仿真计算结果可得到如下结论：

1）焊接加强筋后的顶部支撑结构改善了设备的稳固性，提高了电器柜的抗冲击性能，相比于原始结构，重量减少了40%左右。

2）电器柜顶部支撑的抗冲击性能随加强筋跨距a值的增加不断提升，当为85%左右时，抗冲击性能最佳；继续增大a，其抗冲击性能开始降低。 3）电器柜顶部支撑的抗冲击性能随加强筋宽度b值的增加不断提升；但当b/a为50%左右时，继续增大b值，对其抗冲击性能的影响较小，在选取时应考虑重量因素。

图6 冲击响应应力云图（2）

[1] 张相闻, 杨德庆.船用新型抗冲击隔振蜂窝基座[J].振动与冲击. 2015.

[2] 任晨辉, 杨德庆. 船用新型多层负刚度冲击隔离器性能分析[J]. 振动与冲击. 2018, (10).

[3] 陈荣, 赵鼎鼎, 孙伟星, 李江. 舰船机电控制设备隔冲性能分析[J]. 噪声与振动控制. 2016.

[4] 向昊. 船舶上层建筑侧壁结构抗冲击性能评估方法研究[J]. 舰船科学技术, 2019.

[5] 尹群. 水面舰船设备冲击环境与结构抗冲击性能研究[D]. 南京: 南京航空航天大学. 2006.

Optimizing Design of the Top Support Structure of Electrical Cabinet on Board

Yu Keyun1，Huang Fengyu2，Wang Zhengwei2

（1．1th Military Representative Room at Wuhan Areas, Naval Department of Equipment, Wuhan 430000, China; 2．Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TB122

A 文献分类号：1003-4862（2021）06-0062-04

2020-11-23

俞科云（1971-），男，高级工程师。研究方向：轮机工程。Email：