门槛可拆卸式机柜车载运输工况的仿真分析

王树勋 殷帅兵

（许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000）

0 引言

电力工业是国民经济的重要基础，是国家发展战略的重点和先行行业。随着我国“双碳”目标的提出，清洁能源的开发利用必将加快。电力机柜产品作为变电站建设必不可少的重要设备，其市场需求量也会出现快速的增长。

近年来越来越多的变电站项目后期需要进行二次改造，需要将机柜后门下门槛由焊接式优化为可装配式门槛，以方便后期改造时进行操作。针对此项需求设计的门槛可拆卸式机柜能够很好地满足客户需求，现需要对机柜改造方案的结构性能进行验证。

机柜产品一般固定于预制舱内部，其整个生命流程中的最恶劣工况是车载运输工况，本文基于ANSYS Workbench仿真设计软件，结合门槛可拆卸式机柜实际情况，对其结构强度进行了研究。

1 门槛可拆卸式机柜介绍

传统的电力机柜如图1所示，其已经过多年的工程应用，各个性能指标已经相当成熟。其进线方式是外部电缆从框架后下部进入，二次改造时需要先将框架割断，原先外部电缆拆卸，同时新增外部电缆。更换新的单面机柜比较烦琐，从底部抽拉也比较困难，耽误较多工作时间。

图1 传统机柜

门槛可拆卸式柜体如图2所示，将机柜后门槛由焊接框架设计为安装式门槛。此设计结构简单，外形美观、大方，且机柜更换简便、快捷，效率得到提高。适用于二次改造更换机柜的变电站，可以在变电站、发电厂等现场实现快捷方便更换机柜。

图2 门槛可拆卸式机柜

2 仿真计算

2.1 模型简化和网格划分

根据机柜实际工作情况及仿真分析的需求，对门槛可拆卸式机柜模型进行简化处理，保留了机柜焊接骨架等承重结构，得到如图3所示的机柜简化模型。根据机柜内部设备的不同，机柜重量有所不同，但其极限重量不超过250kg。简化后模型重37kg，简化掉的部分重213kg。

图3 机柜简化模型

网格质量直接影响到求解精度、求解收敛性和求解速度。细化网格可以使计算结果更精确，但是会增加CPU计算时间、需要更大的存储空间。因此，网格划分时需要权衡计算成本和细化网格之间的矛盾。网格划分结果如图4所示。其共有1 059 829个有限元网格单元，有533 913个有限元节点。

图4 网格划分效果图

2.2 有预应力的模态分析

模态分析是分析物体在激励状态下的动力响应，是其他动力学分析的基础。在机柜底部固定螺栓安装孔处添加固定约束，将简化掉部分的等效重量添加在其实际作用的相应部位，并且施加简化模型自重。对机柜进行有预应力的模态分析。经过受力分析得到机柜前六阶振型的固有频率及振型如表1所示，结构固有振型如图5所示。

图5 机柜振型图

表1 机柜前六阶固有频率和振型

2.3 车载运输工况仿真分析

在模态分析的基础上，对门槛可拆卸式机柜进行车载运输工况的分析。机柜大多采用的是公路运输的方式，因此仿真分析采用标准GB/T 4857.23—2021《包装运输包装件基本试验第23部分：垂直随机振动试验方法》中钢簧减振卡车中国部分公路运输随机振动功率谱密度曲线，并且采用其中的推荐严酷水平Ⅱ进行。

根据实际情况，机柜车载运输工况下的振动主要发生在竖直方向上，因此对机柜的竖直方向施加上述激励。经过仿真分析得到其应力云图和变形云图分别如图6和图7所示。

图6 机柜应力云

图7 机柜变形云

机柜采用的材料的屈服极限为195MPa，从图6可以看出，机柜在车载运输工况下的最大应力为0.36MPa，远小于195MPa的屈服强度，说明运输工况下机柜不会发生屈服破坏。从图7可以看出，机柜在车载运输工况下沿X、Y和Z三个方向的最大变形量均小于0.1mm，变形量很小，满足运输工况要求。

3 结语

本文对门槛可拆卸式机柜的结构特点进行了介绍，对机柜模型进行了简化处理并对简化模型进行了网格划分。结合ANSYS Workbench仿真分析软件，根据门槛可拆卸式机柜的实际工作情况，对简化模型进行了模态分析和车载运输工况的随机振动分析。结果表明，门槛可拆卸式机柜在车载运输工况下变形较小，最大应力远小于材料的屈服应力，不会发生屈服破坏。分析结果表明，将机柜改造为门槛可拆卸式结构的方案是可行的，为门槛可拆卸式机柜的设计和验证提供了理论依据。