船用配电柜承重梁结构优化设计

陈宇航，郇文明，郭城志

应用研究

船用配电柜承重梁结构优化设计

陈宇航1，郇文明1，郭城志2

(1. 海装沈阳局驻葫芦岛地区军事代表室，沈阳 110000；2. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064)

针对船用配电柜受到外部冲击可能发生功能失效这一现象，对船用配电柜承重梁结构进行优化设计，在符合规定的外形尺寸与重量范围内通过优化设计增强结构的抗冲击性能。采用有限元法对四种不同结构的承重梁结构进行抗冲击仿真计算，得到相应的抗冲击响应应力和变形。通过对比分析得到在相同重量下，抗冲击性能最强，性价比最高的配电柜承重梁结构型式，可以为同类型的配电柜承重梁结构设计提供参考。

船用配电柜承重梁 有限元法 抗冲击

0 引言

船用配电柜承重梁在支撑和保护配电柜中起到关键作用。在执行任务过程中，配电柜可能受到很大冲击，抗冲击性能强的承重梁能承受住该冲击力，继续起到支撑作用，从而能保护配电柜中各种器件。承重梁截面的结构在梁受力中起重要作用，因此，在保证外形尺寸和重量的前提下，最大限度的提高承重梁的结构强度和抗冲击性能，是当今承重梁结构优化设计的热点问题。

已有众多学者对承重梁的结构设计展开过研究，赵强[1]等人采用ANSYS有限元优化分析方法，对承重梁截面进行优化分析，对工程设计中的复杂结构优化设计提供参考依据。胡苗[2]等人分析了造桥机在进行混凝土箱梁浇筑施工时的受力状态，对其结构进行优化得到较理想的结构模型。黄坤[3]等人研究了悬索承重梁耦合结构的垂向运动动力学模型，结果显示系统仅发生低频或高频主共振时，结构的振幅会随激励幅值和频率变化出现突然跳跃。刘灿培[4]研究了电梯主机承重梁在工程实践中的非标升级问题，提出了一种基于Excel软件的快速设计方法。段博[5]等人提出了一种新型的内爬塔吊承重梁的结构设计，其主体结构面外弯矩更小，可使结构钢筋用量大幅降低，具有很好的推广前景。

本文采用有限元研究方法，对不同的配电柜承重梁结构进行仿真计算。通过对比分析不同结构下承重梁的性能，得到较优的配电柜承重梁结构设计方案。

1 配电柜承重梁模型

配电柜承重梁在支撑柜体的重量上起关键作用。其主要分布在柜体的四周，是柜体的主骨架，其结构如图一所示，图上已标出承重梁对应位置。

图1 配电柜框架及承重梁

配电柜承重梁的结构强度和抗冲击性能在整个配电柜的抗冲缓振中有决定性作用。在对承重梁的结构设计中，在使用相同载荷的前提下，我们考虑了四种常用的结构型式，分别是半开口型、矩形、C型和开口型，其截面形状如图2所示。

图2 不同结构的承重梁横截面

研究选取的半开口型、矩形、C型和开口型承重梁模型的截面积相同，代表四种不同结构的承重梁的重量相同。其中半开口型的高度尺寸最大，另外三种结构的高度尺寸接近，开口型的宽度尺寸最大，半开口型和C型的宽度尺寸相同，矩形的宽度尺寸最小。

2 冲击计算输入

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，按照设备抗冲击等级对于舰船航行和性能的重要程度，把设备分为A、B、C三个等级。在配电柜中安装有大量控制开关和电力电子元器件，在电机与船用负载间起关键枢纽作用，所以配电柜应定为A级设备。

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、甲板部位安装设备和外板部位安装设备。配电柜位于舰船甲板，通过底座固定在甲板上，应该归类于甲板安装设备。

经过上述分析，船用配电柜的冲击环境设计值选取如表1所示。

表1 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。0、0是对应船用设备的基准加速度和速度值，可通过下面公式计算。

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

3 冲击计算结果

在结构强度计算过程中，假设材料材质均匀且各向同性，连接位置稳固可靠，尺寸皆为名义尺寸无误差，固定处刚性无变形。

表2 材料机械属性

根据上节的冲击计算输入得到的垂向（Z向）加速度值，将加速度赋入底座模型进行冲击计算得到柜体承重梁的冲击响应。本文只选取承重梁中的支撑梁应力和变形云图以及最大值进行讨论分析。四种不同结构支撑梁横向冲击响应应力云图如图3所示，变形云图如图4所示，纵向冲击响应应力云图如图5所示，变形云图如图6所示。

记录四种承重梁的横向和纵向冲击响应最大应力和变形值如表3所示，可以看到半开口型承重梁的横向和纵向冲击应力值和变形量最大，对于横向受力，开口型承重梁应力值和变形量大于C型结构，而对于纵向受力，C型结构承重梁的应力值和变形量大于开口型，矩形结构两个方向的应力值和变形量均最小。

图3 承重梁横向冲击响应应力云图

图4 承重梁横向冲击响应变形云图

图5 承重梁纵向冲击响应应力云图

4 结束语

本文使用有限元仿真分析法，对半开口型、矩形、C型和开口型的配电柜承重梁进行了分析和计算。从尺寸重量、抗冲击性能和性价比等方面综合评估四种承重梁的结构强度，得出结论如下：

1）在不同结构承重梁重量相同的情况下，开口型的宽度尺寸最大，半开口型和C型的宽度尺寸相同，半开口型的高度尺寸最大。

2）在不同结构承重梁重量相同的情况下，矩形的抗冲击性能最强，半开口型最弱。

3）矩形结构的配电柜承重梁结构简单、抗冲击能力强、制造简单、成本低，作为船用配电柜承重梁最为合适。

表3 冲击响应最大应力和变形值

图6 承重梁纵向冲击响应变形云图

[1] 赵强, 邱黄林, 柯贵喜. 基于有限元的承重梁结构优化设计[J]. 新技术新工艺, 2008, (10): 32-33.

[2] 胡苗, 徐学林. 应用有限元对造桥机承重主梁结构尺寸的优化[J]. 装备制造, 2009(05): 149-150.

[3] 黄坤, 温建明, 冯奇. 悬索承重梁索耦合结构的垂向运动动力学模型及主共振分析[J]. 工程力学, 2013,30(2):8

[4] 刘灿培. 一种基于Excel软件的电梯主机承重梁快速设计方法[J]. 中国电梯, 2015, 26(23): 16-19.

[5] 段博, 马天雨, 韩君. 一种新型内爬塔吊承重梁的设计与应用[J]. 建筑施工, 2023, 45(01): 100-103.

Structural optimization design of marine electrical cabinet bearing beam

Chen Yuhang1, Xun Wenming1, Guo Chengzhi2

(1. Military Representative office of the Naval Equipment Shenyang Bureau in Huludao Region, Shenyang 110000, China；2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM642

A

1003-4862（2023）12-0050-03

2023-07-06

陈宇航（1991-），男，工程师。研究方向：船舶电力系统。E-mail：chen_yh316@126.com