基于響應(yīng)譜法的機柜抗震性能研究

代廷振，顧錦書，高學(xué)斌

(南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司，南京 211153)

基于響應(yīng)譜法的機柜抗震性能研究

代廷振，顧錦書，高學(xué)斌

(南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司，南京 211153)

采用有限元分析軟件(ANSYSWorkbench)對某智能電網(wǎng)二次機柜進(jìn)行模態(tài)分析，研究其動力學(xué)特性，在此基礎(chǔ)運用響應(yīng)譜法進(jìn)行機柜的抗震研究。通過仿真獲得機柜的薄弱環(huán)節(jié)，并以此進(jìn)行優(yōu)化，使抗震機柜薄弱處的變形和應(yīng)力得到改善進(jìn)而提高其抗震能力。本文旨在為機柜抗震設(shè)計、改進(jìn)提供一種有效、便捷的方法，同時為后續(xù)電子設(shè)備地震試驗提供有效的參考數(shù)據(jù)。

機柜；抗震性能；有限元分析軟件；響應(yīng)譜法；模擬分析；仿真研究

0 引言

以電網(wǎng)自動化和工業(yè)控制、繼電保護及柔性輸電等為代表的智能電網(wǎng)電力二次設(shè)備是集監(jiān)測、通信、控制等于一體化的高度智能化電力設(shè)備，是保證電網(wǎng)可靠運行的神經(jīng)中樞[1]。電子設(shè)備機柜作為智能化電子設(shè)備的載體，其一般由立柱、橫梁、前后門、側(cè)板、插箱等組成[2]，同時要求其具有較高的可靠性。

近年來，我國地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，如汶川大地震對四川電網(wǎng)電力設(shè)施造成重大損壞[3]。因此，提高機柜的抗震能力，減少地震破壞具有重大的現(xiàn)實意義。本文以某工程要求為依托，以實現(xiàn)其能夠抵抗設(shè)防烈度9度為目標(biāo)，對機柜進(jìn)行了抗震性能的研究。

1 結(jié)構(gòu)抗震理論

對于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，其主要包括靜力法、響應(yīng)譜法、時程分析法。其中：靜力法假定結(jié)構(gòu)是剛性的，沒有考慮結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性；響應(yīng)譜法是在靜力學(xué)基礎(chǔ)上的進(jìn)一步發(fā)展，考慮結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性、地基結(jié)構(gòu)的影響，是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計最常用的方法；時程分析法是將實際的地震加速度時程記錄作為動載荷直接輸入，其計算結(jié)果精確，但是對計算機要求極高，計算時間久、代價大，實際應(yīng)用較少[4]。

響應(yīng)譜表征了地震動加速度時間過程作用于單自由度彈性體系的最大反應(yīng)(加速度、速度和位移)隨體系的自振特性(周期和阻尼比)變化的函數(shù)關(guān)系[5]。

在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，地震響應(yīng)譜曲線主要由地震影響系數(shù)α及重力加速度g來確定，其二者的乘積即為地震響應(yīng)譜曲線。因此，地震影響系數(shù)α的確定是關(guān)鍵，本文采用GB 50260—2013《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的地震影響系數(shù)曲線，其曲線如圖1所示。

圖1 地震影響系數(shù)曲線

由圖1所示，地震影響系數(shù)曲線與最大地震影響系數(shù)αmax、斜率調(diào)整系數(shù)η1、阻尼調(diào)整系數(shù)η2、衰減系數(shù)γ及特征周期Tg有關(guān)。其中地震影響系數(shù)αmax根據(jù)工程需要及規(guī)范查表取其值為1，η1，η2，γ的值與阻尼比ζ有關(guān)，本文取鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比ζ為0.05，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)相關(guān)公式得出η1，η2，γ，Tg分別為0.02，1.00，0.90，0.40，最終得到地震影響系數(shù)的曲線公式如下，其將作為后續(xù)地震響應(yīng)譜輸入到ANSYSWorkbench中進(jìn)行抗震計算。

2 機柜抗震性能分析

對于機柜抗震分析，采用ANSYSWorkbench為平臺，采用模態(tài)(Modal)分析模塊及響應(yīng)譜(ResponseSpectrum)分析模塊進(jìn)行計算。模態(tài)分析是動力學(xué)分析的基礎(chǔ)，響應(yīng)譜分析即響應(yīng)譜法，是模態(tài)分析的延伸，其主要通過模態(tài)得到的固有頻率和振型計算結(jié)構(gòu)對地震或者其他激勵的響應(yīng)。

2.1 有限元模型的建立

電子機柜主要由鈑金件構(gòu)成，其尺寸為800mm×600mm×2 200mm，材料為Q235，密度為7 850kg/m3，楊氏模量為2×105MPa，泊松比為0.3；前門玻璃，密度為2 560kg/m3，楊氏模量為7.2×104MPa，泊松比為0.2。本文中對幾何模型進(jìn)行了適當(dāng)簡化，比如去除圓角，去除不必要構(gòu)件，以減少其計算量，同時將機柜內(nèi)部的機箱簡化為質(zhì)量點施加到承載面上，將焊接框架及螺釘連接的構(gòu)件采用綁定約束，對于鉸鏈則采用旋轉(zhuǎn)運動副進(jìn)行約束。由于機柜主要由鈑金件構(gòu)成，其采用實體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分質(zhì)量會很差，所以采用抽中面(Mid-surface)將三維實體幾何模型轉(zhuǎn)換為殼體單元，有助于提高網(wǎng)格質(zhì)量，同時減少計算量。

2.2 框架模態(tài)分析及響應(yīng)譜分析

模態(tài)分析是動力學(xué)分析中的一種，其中動力學(xué)通用方程為

所以模態(tài)的固有頻率與振型只與質(zhì)量矩陣[M]、結(jié)構(gòu)剛度[K]有關(guān)。

本文分別計算未帶加強塊的機柜框架和帶加強塊的機柜框架的模態(tài)，其二者的區(qū)別為橫梁兩側(cè)是否有三角形加強塊，如圖2所示。然后分別對底部地腳螺栓固定處的槽口采用固定約束，最終分別得到100 Hz以內(nèi)的共振頻率見表1。

圖2 加強塊位置

振型頻率/Hz框架無加強塊框架有加強塊113．08513．742234．36535．389339．67439．721457．39757．137559．60659．612660．17459．886764．85963．650868．41967．798978．78678．6131082．95482．5021188．23788．2381291．06490．720

通過表1可得出，有加強塊機柜框架與無加強塊框架相比，其固有頻率相差不大。因此，增加加強塊對于機柜框架的模態(tài)幾乎沒有影響。由于響應(yīng)譜法是以模態(tài)為基礎(chǔ)進(jìn)行計算的，由于二者模態(tài)基本相同，其后續(xù)結(jié)果均一致，因此后續(xù)框架分析均是以無加強塊框架進(jìn)行分析，不再考慮有加強塊框架的分析。

機柜框架的前三階固有頻率和振型如圖3所示，本文假定前后門方向為X軸，側(cè)門方向為Y軸，豎直方向為Z軸，其前三階振型分別為沿Y軸方向的彎曲、X軸方向的彎曲及沿Z軸方向的扭轉(zhuǎn)。其中第1階與第2階頻率相差較大，在20 Hz左右，說明沿X軸方向的結(jié)構(gòu)剛度遠(yuǎn)高于沿Y軸方向的結(jié)構(gòu)剛度，也從側(cè)面證明X軸方向結(jié)構(gòu)剛度已足夠大，因此在其方向上添加加強塊對結(jié)果影響不大。

圖3 機柜框架前三階振型

在得到模態(tài)分析結(jié)果之后，將地震影響系數(shù)曲線函數(shù)輸入到ANSYS Workbench。在分析設(shè)置中設(shè)定為單點激勵，并在加速度激勵中將邊界條件設(shè)置為All BC support，即所有固定點均受到響應(yīng)譜的激勵，并分別計算X軸方向和Y軸方向的變形量和等效應(yīng)力，得到結(jié)果如圖4所示。

圖4 機柜變形量和應(yīng)力值

圖5 傳統(tǒng)機柜變形及應(yīng)力

通過框架分析可以得出，其在X方向響應(yīng)譜激勵時，得到的變形量為最大值0.25 mm，應(yīng)力最大值為23.0 MPa。在Y方向響應(yīng)譜激勵時，得到的變形量為最大值1.70 mm，應(yīng)力最大值為142 MPa。其中最大變形均發(fā)生在頂部部分，相對于2 200 mm的高度其變化量很小，最大應(yīng)力值均產(chǎn)生在地腳螺栓固定處，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于屈服強度235 MPa，能夠滿足抗9級烈度地震的要求。

2.3 機柜模態(tài)分析及響應(yīng)譜分析

傳統(tǒng)機柜的前后門是由上下門軸進(jìn)行連接的，其側(cè)門下部通過定位銷連接，上部通過兩個翻板鎖連接。對其進(jìn)行模態(tài)分析后，其前18階模態(tài)結(jié)果見表2，共振頻率較低且大部分均為前后門、側(cè)門、頂蓋的局部共振，第18階模態(tài)為整體共振，共振頻率為30 Hz。

與框架響應(yīng)譜分析相同，其分析結(jié)果如圖5所示，其在X方向響應(yīng)譜激勵時，得到的變形量為最大值4.0 mm，應(yīng)力最大值為210.0 MPa。在Y方向響應(yīng)譜激勵時，得到的變形量為最大值3.5 mm，應(yīng)力最大值為58.0 MPa。其中，最大變形分別發(fā)生在側(cè)門和前后門處，最大應(yīng)力值均產(chǎn)生在鎖桿連接處。由于鎖桿與框架之間簡化為綁定約束，其實際應(yīng)力值會比計算值偏小，此處僅做參考。

針對以上分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)前門、后門、側(cè)門部分變形較大，因此本文對前后門改為鉸鏈固定，同時增加連接點數(shù)量；側(cè)門連接改為螺栓連接，并增加固定點，如圖6所示。改進(jìn)后的模態(tài)結(jié)果見表3，其中20 Hz以下的前后門、側(cè)門的局部共振大部分得到抑制，其第1階固有頻率也由9.9 Hz提高到12.2 Hz，整體共振頻率為18階，也稍有提高。

表2 傳統(tǒng)機柜模態(tài)仿真結(jié)果

其響應(yīng)譜分析相同分析結(jié)果如圖7所示，其在X方向響應(yīng)譜激勵時，得到的變形量由最大值4.0 mm減小為2.5 mm，應(yīng)力最大值由210.0 MPa減小為164.0 MPa。在Y方向響應(yīng)譜激勵時，變形量為最大值由3.5 mm減小為0.9 mm，應(yīng)力最大值由58.0 MPa減小為50.0 MPa，變化不明顯。其中，最大變形和最大應(yīng)力值發(fā)生位置與傳統(tǒng)型相同。通過增加連接點數(shù)量改進(jìn)之后，可以得出機柜的前后門、側(cè)門的變形量、應(yīng)力較改進(jìn)前進(jìn)一步減小，提高了抗震性能。

圖6 改進(jìn)型機柜前門和側(cè)門

振型頻率/Hz振型頻率/Hz112．2151031．075218．4561132．784321．541233．274424．7541336．185525．5321436．227625．8881536．663727．6011640．658827．6751740．992930．6671841．058

圖7 改進(jìn)型機柜變形及應(yīng)力

3 結(jié)論

本文采用ANSYS Workbench對二次機柜進(jìn)行了模態(tài)分析及響應(yīng)譜分析以驗證其抗震性能。通過仿真得到以下結(jié)論：(1)框架側(cè)橫梁處安裝加強塊對框架模態(tài)和抗震性能的提高無顯著影響；(2)在前門、后門、側(cè)門部分增加連接點，有助于其固有頻率的提高，改善其抗震性能。

本文通過響應(yīng)譜法對機柜進(jìn)行仿真，為機柜抗震設(shè)計提供了一種便捷方法，同時為后續(xù)機柜抗震試驗提供了數(shù)據(jù)參考。

[1]祝德春,韓德斌,周桂生,等.基于模態(tài)試驗與有限元的電力機柜動力學(xué)分析[J].城市建設(shè)理論研究：電子版,2013(35):58-61.

[2]何小兵，張赤斌，顏肖龍.車載電子機柜的動力學(xué)分析[J].機械工程與自動化,2006(1):46-48.

[3]劉凡,周思宇,劉曦,等.汶川大地震四川電網(wǎng)輸變電設(shè)備受災(zāi)情況研究[C]// 中國電機工程學(xué)會年會,2008.

[4]劉笑天.ANSYS Workbench結(jié)構(gòu)工程高級應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2015.

[5]袁一凡，田啟文.工程地震學(xué)[M].北京：地震出版社，2012.

(本文責(zé)編：齊琳)

2017-04-11；

2017-05-10

TN

A

1674-1951(2017)07-0011-04

代廷振(1989—)，男，山東濟寧人，助理工程師，從事電力系統(tǒng)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計、研究、開發(fā)方面的工作(E-mail:tingzhen-dai@sac-china.com)。

顧錦書(1988—)，男，江蘇鹽城人，助理工程師，從事電力系統(tǒng)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計、研究、開發(fā)方面的工作。

高學(xué)斌(1988—)，男，江蘇南京人，助理工程師，從事電力系統(tǒng)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計、研究、開發(fā)方面的工作。