中壓交流真空斷路器均壓環(huán)抗沖擊性能仿真分析

黃 鐳，任 萍，涂 煜

（1. 船舶綜合電力技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430064; 2. 武漢長(zhǎng)海電氣科技開發(fā)有限公司，武漢 430000;）

0 引言

抗沖擊性能是船舶機(jī)電設(shè)備的一項(xiàng)重要考核項(xiàng)目，用以評(píng)估設(shè)備是否具備戰(zhàn)時(shí)工作可靠性。其考核方法一般分為實(shí)際沖擊試驗(yàn)和數(shù)值仿真分析兩種，其中，實(shí)際沖擊試驗(yàn)方法較為可靠，但存在試驗(yàn)設(shè)備體積受限、試驗(yàn)成本高等問題，而數(shù)值仿真方法更加靈活便捷?；趯?duì)實(shí)船爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累研究，船舶機(jī)電設(shè)備的抗沖擊設(shè)計(jì)理論方法逐漸從靜態(tài)發(fā)展到動(dòng)態(tài)，從線性趨向于非線性。目前，常用加載頻域沖擊譜或時(shí)歷載荷曲線對(duì)設(shè)備抗沖擊性能進(jìn)行研究。頻域載荷的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)分析法能夠得到設(shè)備應(yīng)力峰值分布情況[1-2]，但該方法忽略了設(shè)備的非線性效應(yīng)；時(shí)域載荷考慮了設(shè)備的非線性效應(yīng)，可以得到設(shè)備結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下各個(gè)時(shí)刻的瞬態(tài)響應(yīng)，但對(duì)計(jì)算模型要求較高[3～4]。

本文采用時(shí)域沖擊載荷研究設(shè)備部件的抗沖擊性能，通過數(shù)值仿真方法對(duì)設(shè)備模型進(jìn)行仿真分析，確定設(shè)備的瞬態(tài)響應(yīng)特性，并提出改進(jìn)結(jié)構(gòu)的方法，驗(yàn)證改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的合理性。

1 有限元分析

1.1 有限元模型建立

斷路器樣機(jī)均壓環(huán)采用螺栓連接方式安裝在絕緣子一側(cè)，對(duì)均壓環(huán)固定螺孔周圍布置映射面模擬螺栓固定情況，并設(shè)置材料如表1所示。

表1 材料參數(shù)表

模型的網(wǎng)格劃分主要通過控制網(wǎng)格的尺寸和類型來實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)格尺寸方面，進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的有限元模型網(wǎng)格要求盡可能趨于均勻分布；網(wǎng)格類型方面，六面體網(wǎng)格的計(jì)算誤差小于四面體或五面體，且計(jì)算效率更高，節(jié)點(diǎn)數(shù)更少，因此在網(wǎng)格劃分過程中首選六面體單元進(jìn)行劃分。對(duì)網(wǎng)格總體質(zhì)量的評(píng)估選用Mesh Quality進(jìn)行評(píng)估，對(duì)于結(jié)構(gòu)分析，Mesh Quality大于50%即可進(jìn)行計(jì)算，本模型Mesh Quality為85%，滿足要求網(wǎng)格劃分后，整個(gè)有限元模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)為26560，單元總數(shù)為15574。

圖1 均壓環(huán)有限元模型

1.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析是一種用來確定結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的技術(shù)，后續(xù)結(jié)構(gòu)的仿真分析在此基礎(chǔ)上進(jìn)行。根據(jù)模態(tài)分析理論，求解模型固有特性。模型前6階固有頻率如表2所示。

表2 固有頻率

2 瞬態(tài)響應(yīng)分析

2.1 沖擊載荷

依據(jù)GJB 1060.1-91[5]和BV 043-85[6]中公式，計(jì)算沖擊載荷時(shí)歷曲線的各項(xiàng)參數(shù)。

表1 輸入設(shè)計(jì)加速度表

其中各項(xiàng)參數(shù)如表4所示，沖擊載荷圖如圖2所示：

圖2 時(shí)歷沖擊載荷曲線

表4 正負(fù)三角波參數(shù)表

2.2 瞬態(tài)響應(yīng)分析

2.2.1 結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)分析

將三向沖擊載荷分別加載于均壓環(huán)，均壓環(huán)各向載荷作用下應(yīng)力分布情況如圖3所示。

圖3 三向沖擊載荷作用下均壓環(huán)峰值應(yīng)力分布云圖

由圖3可以看出，該固定結(jié)構(gòu)的均壓環(huán)在橫向和垂向載荷作用下的響應(yīng)結(jié)果較為劇烈。且應(yīng)力集中區(qū)域主要分布在環(huán)體與安裝板焊接位置。依據(jù)GJB1060.1-91[3]許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)章節(jié)的規(guī)定，允許微小永久變形彈性設(shè)計(jì)設(shè)備，應(yīng)力不超過實(shí)際屈服強(qiáng)度。由于均壓環(huán)的微小永久變形不會(huì)影響斷路器電氣性能，因此定義這類部件為允許永久變形部件，其許用應(yīng)力為實(shí)際屈服強(qiáng)度。

其中，σy為材料屈服強(qiáng)度；σb為材料極限強(qiáng)度；G值選用0.5。

定義無量綱系數(shù)n，描述沖擊載荷作用下考核部位是否失效。

其中，σvon-mise為考核部位應(yīng)力峰值，單位為MPa；σ為屈服強(qiáng)度，單位為MPa。

提取模型在各向載荷下響應(yīng)最劇烈時(shí)刻的各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值，計(jì)算其超出許用應(yīng)力的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，如表5所示。

表5 模型安全系數(shù)表

由表5數(shù)據(jù)和圖3云圖可以看出，該結(jié)構(gòu)均壓環(huán)的抗沖擊性能較差。

2.2.2 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)分析

對(duì)均壓環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在對(duì)稱位置增加固定連接，并重新建立有限元模型，對(duì)模型進(jìn)行相同方式的網(wǎng)格劃分，并求解模型模態(tài)特性，其前6階固有頻率如表6所示。

表6 固有頻率值

對(duì)改進(jìn)后模型加載沖擊載荷，應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果如圖4所示。由圖4結(jié)果可以看出，模型在各向載荷作用下響應(yīng)最為劇烈時(shí)刻的應(yīng)力峰值遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，模型危險(xiǎn)區(qū)域應(yīng)力分布情況得到改善。

圖4 三向沖擊載荷作用下均壓環(huán)峰值應(yīng)力分布云圖

3 結(jié)論

文中采用數(shù)值仿真方法研究了斷路器均壓環(huán)的抗沖擊性能，得到如下結(jié)論：

1）原結(jié)構(gòu)均壓環(huán)環(huán)體與安裝板焊接位置在橫向載荷和縱向載荷作用下，存在應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)域。

2）改進(jìn)后對(duì)稱安裝方式的均壓環(huán)在各向沖擊載荷作用下均不存在應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)域，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)抗沖擊性能較好。