沈陽地鐵1號(hào)線變流器功率模塊強(qiáng)度仿真研究

王道闊，趙勃涵，胡勇

摘 要：功率模塊是變流器的核心部件，對(duì)安全性要求很高，在設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但設(shè)計(jì)不能富余太多否則會(huì)使成本大幅提高，因此，如何在充分保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下盡可能的降低成本成為必須考慮的問題。文章基于有限元分析理論，運(yùn)用SolidWorks對(duì)功率模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，在設(shè)計(jì)開發(fā)階段對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行模擬仿真，達(dá)到保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的目的，同時(shí)可以優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以降低成本。

關(guān)鍵詞：功率模塊;有限元分析;結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;SolidWorks

機(jī)車牽引變流器功率模塊將1 500 V直流母線電壓轉(zhuǎn)換為三相交流電輸出到牽引電機(jī)，驅(qū)動(dòng)其運(yùn)轉(zhuǎn)，功率模塊安裝在變流器裝置內(nèi)部，變流器裝置一般采用吊裝的方式安裝在列車下方。

利用有限元法對(duì)功率模塊框架進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)分析，了解模塊框架應(yīng)力和變形的情況，對(duì)模塊框架設(shè)計(jì)是非常必要的。

1 有限元分析概述

有限單元法（Finite Element Analysis，F(xiàn)EA）是一種求解關(guān)于場問題的一系列偏微分方程的數(shù)值方法[1]。該類型的問題涉及許多工程學(xué)科，如機(jī)械設(shè)計(jì)、聲學(xué)、電磁學(xué)、巖土力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)等。在機(jī)械工程中，有限元分析被廣泛地應(yīng)用在結(jié)構(gòu)、振動(dòng)和傳熱問題上。

所有FEA的第一步是相同的，都是從幾何模型開始。在本文中即為SlidWorks的零件和裝配體，給這些模型分配材料屬性，定義載荷和約束，再使用數(shù)值近似方法，將模型離散化以便分析。當(dāng)使用有限單元工作時(shí)，F(xiàn)EA求解器將把單個(gè)單元的簡單解綜合成對(duì)整個(gè)模型的近似解，以此得到期望的結(jié)構(gòu)（如變形或應(yīng)力）。因此，應(yīng)用FEA軟件分析問題時(shí)，有以下3個(gè)基本步驟：

（1）預(yù)處理，定義靜態(tài)、熱傳導(dǎo)、頻率等分析類型，添加材料屬性，施加載荷和約束，網(wǎng)格劃分。

（2）求解，計(jì)算所需結(jié)果。

（3）后處理，分析結(jié)果。

2 功率模塊的組成與結(jié)構(gòu)分析

功率模塊由模塊框架、散熱器、電容等零部件構(gòu)成。模塊框架所受載荷主要來自散熱器和電容，其中散熱器重量為60 kg，電容重量為63 kg[2]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 功率模塊的建模準(zhǔn)備

在建立功率模塊結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型時(shí)，為避免問題變得過于復(fù)雜，應(yīng)在盡可能如實(shí)反映功率模塊結(jié)構(gòu)主要力學(xué)特征的前提下，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?/p>

2.1.1 簡化模型

（1）對(duì)于一些小的子部件，如電容組件、絕緣板組件等進(jìn)行省去。

（2）因散熱器罩只是起到保護(hù)作用，也可省去。

（3）為了節(jié)省SolidWorks運(yùn)行分析時(shí)間，對(duì)所用到的緊固件、扎線桿等進(jìn)行省去，簡化后的模型如圖2所示。

2.1.2 材料屬性和常數(shù)的設(shè)定及接觸條件處理

因?yàn)楣β誓K的模塊框架為薄壁鈑金結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行數(shù)學(xué)建模時(shí)，可以使用殼單元進(jìn)行分析。由于柜體體積較大，為減少計(jì)算時(shí)間，可使用一階三角形殼單元進(jìn)行初步分析，再用二階三角形殼單元對(duì)局部進(jìn)行詳細(xì)分析。模塊框架所用的材料為Q235鋼和Q195鋼。將模塊框架的接觸條件定義為全局接觸（接合）[3]。

2.1.3 夾具設(shè)定

夾具設(shè)定及載荷處理如圖3所示，功率模塊采用8顆螺栓固定在變流器裝置內(nèi)部（前后各4顆螺栓），同時(shí)變流器柜體內(nèi)部導(dǎo)軌支撐功率模塊底部，故夾具可在8顆螺栓處和模塊框架底部設(shè)定為固定幾何體。網(wǎng)格劃分的樣式如圖4所示。

2.2 載荷處理

模塊框架所受載荷主要來自散熱器和電容，其中散熱器重量為60 kg（600 N），電容重量為63 kg（630 N）。應(yīng)力、位移、應(yīng)變分布結(jié)果如圖5所示。

3 結(jié)語

本文以功率模塊為對(duì)象，運(yùn)用SolidWorks一系列插件功能建立了功率模塊的仿真模型，對(duì)功率模塊的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了分析。運(yùn)用該設(shè)計(jì)牽引變流器功率模塊已經(jīng)成功進(jìn)行了正線滿載和運(yùn)營實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。結(jié)果表明：仿真分析可以在設(shè)計(jì)初期有效地驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果，為設(shè)計(jì)人員提供方案對(duì)比手段，能夠有效提高設(shè)計(jì)可靠性，對(duì)縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)成本具有極大的應(yīng)用價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1]曾攀.有限元基礎(chǔ)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[2]陳超祥，胡其登.SolidWorks Simulation高級(jí)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[3]《機(jī)械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊(cè)》編委會(huì).機(jī)械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

Simulation research on converter power module strength of Shenyang metro line 1

Wang Daokuo1， Zhao Bohan1， Hu Yong2

（1.Operation Branch of Shenyang Metro Group Co.， Ltd.， Shenyang 110141， China;2.Zhuzhou Shiling Transportation Equipment Co.， Ltd.， Zhuzhou 412007， China）

Abstract：The power module is the core component of the converter， and the safety requirements are very high. When designing， the structural strength must be fully considered， but the design can not be excessive and the cost is greatly increased. How to reduce the cost as far as possible without fully ensuring its structural strength has become a must to consider Based on the theory of finite element analysis， this paper analyzes the structural strength of the power module by using Solidwoks， and simulates the product at the design and development stage to ensure its structural strength， and can optimize the product structure to reduce costs.

Key words：power module; the finite element analysis; the structural strength; SolidWoks