電氣柜疲勞強度校核及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

朱大巍，崔修斌，李杰

（天津航天瑞萊科技有限公司上海分部，上海 201199）

引言

目前，汽車保有量的不斷增加帶來諸多的環(huán)境和能源挑戰(zhàn)，各類型的電動汽車是實現(xiàn)清潔汽車的解決方案之一，在全世界范圍內(nèi)得到推廣和應(yīng)用[1]。電氣柜是對電動汽車充電的移動充電車的重要設(shè)備，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性直接影響移動充電車的充電性能以及使用壽命。因此，需要對電氣柜進行振動耐久性試驗，當發(fā)生影響電氣柜性能的結(jié)構(gòu)變形和損傷時，就要對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。本文基于電氣柜的三維幾何模型，使用Hypermesh建立有限元模型，導入ANSYS軟件中進行模態(tài)和隨機振動計算[2,3]，分析電氣柜的振動特性及結(jié)構(gòu)疲勞強度，并對減振器及其支座結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

圖1 電氣柜結(jié)構(gòu)示意圖

1 問題描述

電氣柜結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。電氣柜主要承載結(jié)構(gòu)為冷軋鋼板，冷軋鋼板之間通過焊接連在一起，電子部件通過螺栓連接到承載結(jié)構(gòu)。電氣柜通過減震器安裝到安裝支座上，支座通過螺栓安裝到車體或振動臺上。封蓋和門通過螺栓和軸承安裝到承載結(jié)構(gòu)上。在振動耐久性試驗中電氣柜出現(xiàn)兩個問題：①減振器安裝孔附件結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞斷裂；②某些設(shè)備的振動量級較大影響設(shè)備使用。

2 有限元分析

2.1 有限元模型建立

有限元模型的簡化、網(wǎng)格劃分方式、邊界條件都影響分析結(jié)果準確性。按照仿真經(jīng)驗，對于電氣柜類結(jié)構(gòu)，除了起承載作用的支撐框架外，還有許多電氣設(shè)備。這些電氣設(shè)備與支撐結(jié)構(gòu)之間是螺栓連接，剛度相對較大，主要起到附加質(zhì)量作用。故而在力學分析中，將電氣功能設(shè)備作為質(zhì)量點處理。電氣柜有限元模型如圖2所示。在有限元模型中，采用殼單元模擬支撐結(jié)構(gòu)與柜門結(jié)構(gòu)，電氣設(shè)備采用質(zhì)量單元模擬，減振器采用彈簧-阻尼單元模擬，焊接采用共節(jié)點方式。電氣設(shè)備及減振器與支撐結(jié)構(gòu)的連接采用剛性連接方式。

有限元模型共有單元數(shù)約80萬，節(jié)點數(shù)約80萬。模態(tài)及隨機振動計算時，約束底座安裝孔處所有自由度。網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2.2 材料參數(shù)

電氣柜主要承載結(jié)構(gòu)為冷軋鋼板，冷軋鋼板的材料類型為Q235，功能類結(jié)構(gòu)為鍍鋁鋅板，詳細參數(shù)見表1。減震器參數(shù)見表2。Q235的S-N曲線見圖3所示[4]，選擇50 %概率進行壽命評估。

2.3 約束信息

電氣柜通過螺栓安裝到工裝上，螺栓安裝位置如圖4所示。模態(tài)計算和隨機振動分析時，螺栓安裝孔附件所有自由度全部約束。

2.4 載荷信息

電氣柜安裝于工裝上，工裝安裝于振動臺上。隨機激勵載荷見表3和圖5[5]，加速度均方根等于57.9 m/s2。整體結(jié)構(gòu)阻尼比取0.02。

圖2 電氣柜網(wǎng)格劃分示意圖

表1 材料屬性

表2 減震器參數(shù)

圖3 Q235A級（F）的P-S-N曲線

2.5 結(jié)果分析及強度校核

2.5.1 模態(tài)結(jié)果

電氣柜前3階模態(tài)振型見圖6～8，由圖可見，電氣柜前3階為整體振動。第1階模態(tài)振型垂向振動時，中間兩個減震器與安裝支座發(fā)生明顯振動。

圖4 約束位置

表3 PSD數(shù)值與頻率

圖5 PSD載荷譜

圖6 第1階模態(tài)振型

圖7 第2階模態(tài)振型

圖8 第3階模態(tài)振型

2.5.2 振動傳遞結(jié)果

圖9～11是位于四角和中間的兩個減震器三個方向的傳遞率曲線，傳遞率等于減震器上部加速度功率譜與下部加速度功率譜之間的比值。由圖可見，垂向振動時，中部減震器減震效果較差，角點減震器的低頻區(qū)域放大作用比較明顯；橫向振動時，中部減震器和角點處減震器的共振頻率不一致，這是由于兩個減震器底部約束不同造成的。另外，需要注意的是，減震器與電氣柜組成的系統(tǒng)固有頻率在激勵頻率范圍內(nèi)，這一點和以往減震器使用經(jīng)驗不同。

圖9 垂向減震器傳遞率曲線

圖10 縱向減震器傳遞率曲線

圖11 橫向減震器傳遞率曲線

2.5.3 強度校核結(jié)果

圖12是垂向隨機載荷下減震器安裝座的1 σ應(yīng)力云圖，由圖可見，電氣柜四個角點的減震器安裝座應(yīng)力較大，中間兩個減震器安裝座應(yīng)力較小。這與模態(tài)分析的結(jié)果一致。減震器安裝座的1 σ最大應(yīng)力為81.9 MPa，則相應(yīng)的2 σ應(yīng)力為163.8 MPa，3 σ應(yīng)力為245.7 MPa。根據(jù)高斯分區(qū)方法[6]，3 σ應(yīng)力對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)為4.33 %。試驗中電氣柜經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)近似的等于1.152×108，則3 σ應(yīng)力應(yīng)經(jīng)歷5×106。從圖3可知，垂向振動3 σ應(yīng)力大于材料的疲勞極限，對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)2×105，小于試驗經(jīng)歷的疲勞循環(huán)次數(shù)。因此，該方向上結(jié)構(gòu)疲勞強度難以滿足要求。

圖12 垂向減震器安裝座1 σ應(yīng)力云圖

圖13 縱向減震器安裝座1 σ應(yīng)力云圖

圖13 是縱向隨機載荷下減震器安裝座的1 σ應(yīng)力云圖，由圖可見，電氣柜六個減震器安裝座應(yīng)力較為均勻。這與模態(tài)分析的結(jié)果一致。減震器安裝座的1 σ最大應(yīng)力為28 MPa，則相應(yīng)的2 σ應(yīng)力為56 MPa，3 σ應(yīng)力為84 MPa。從圖3可知，垂向振動3 σ應(yīng)力小于材料的疲勞極限，對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)應(yīng)為無限大。因此，該方向上結(jié)構(gòu)疲勞強度可以滿足要求。

圖14是橫向隨機載荷下減震器安裝座的1 σ應(yīng)力云圖，由圖可見，電氣柜六個減震器安裝座應(yīng)力較為均勻。這與模態(tài)分析的結(jié)果一致。減震器安裝座的1 σ最大應(yīng)力為18.5 MPa，則相應(yīng)的2 σ應(yīng)力為37 MPa，3 σ應(yīng)力為55.5 MPa。

從圖3可知，垂向振動3 σ應(yīng)力小于材料的疲勞極限，對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)應(yīng)為無限大。因此，該方向上結(jié)構(gòu)疲勞強度可以滿足要求。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

3.1 原因分析

根據(jù)以上分析可知，電氣柜的疲勞壽命不符合設(shè)計要求，表明結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。原因如下： ①垂向振動時，中部減震器沒有預(yù)期的減震效果，只有四個角點的減震器起到減震作用；②橫向振動時，減振器支座對減振器的約束剛度不一致，導致減振器效果弱化；③減振器在低頻區(qū)域出現(xiàn)共振，減振器選型出現(xiàn)偏差。

3.2 優(yōu)化方案及結(jié)果評價

針對電氣柜應(yīng)力較大現(xiàn)象，現(xiàn)對其結(jié)構(gòu)做以下優(yōu)化：①更換新型減振器，確保激勵頻率范圍為減振器振動衰減頻率范圍；②增加減振器安裝支座剛度，減少對減振器低頻性能的影響；③整體加工減震器安裝支座，避免不連續(xù)不光滑的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

根據(jù)以上優(yōu)化方案求解，優(yōu)化后的結(jié)果如下所示。圖15是垂向隨機載荷下減震器安裝座的1 σ應(yīng)力云圖，由圖可見，減震器安裝座應(yīng)力較大。減震器安裝座的1 σ最大應(yīng)力為50.3 MPa，則相應(yīng)的2 σ應(yīng)力為100.6 MPa，3 σ應(yīng)力為150.9 MPa。根據(jù)高斯分區(qū)方法，3 σ應(yīng)力對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)為4.33 %。試驗中電氣柜經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)近似的等于1.152×108，則3 σ應(yīng)力應(yīng)經(jīng)歷5×106。

圖14 橫向減震器安裝座1 σ應(yīng)力云圖

圖15 垂向減震器安裝座1σ應(yīng)力云圖

從圖3可知，垂向振動3 σ應(yīng)力小于材料的疲勞極限，對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)為無限，大于試驗經(jīng)歷的疲勞循環(huán)次數(shù)。因此，該方向上結(jié)構(gòu)疲勞強度可以滿足要求。

4 結(jié)論

根據(jù)電氣柜振動特性有限元分析，可以得到如下結(jié)論：

1）有限元分析結(jié)果表明：最大應(yīng)力出現(xiàn)在減振器安裝座附近，與實際裂紋破壞位置基本吻合。振動特性及結(jié)構(gòu)疲勞強度校核表明：減振器及安裝支座剛度不能滿足設(shè)計要求。

2）優(yōu)化方案結(jié)果表明：更換新型減振器及改進安裝制作設(shè)計后能夠降低局部應(yīng)力集中，很好解決了電氣柜在振動耐久性試驗中出現(xiàn)裂紋問題。