基于有限元法分析逆變器柜體靜強(qiáng)度

王野

中車(chē)大連電力牽引研發(fā)中心有限公司 遼寧 大連 116000

最近幾年，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高和鐵路運(yùn)輸行業(yè)的不斷發(fā)展，我國(guó)對(duì)逆變器柜體質(zhì)量提出了更高的要求，使得逆變器柜體具有重量輕、體積小、品質(zhì)好等特征。逆變器柜體設(shè)計(jì)在電氣傳動(dòng)性能優(yōu)化方面發(fā)揮出重要作用，不僅確保電氣設(shè)備能夠可靠、穩(wěn)定、安全地運(yùn)行，還能實(shí)現(xiàn)電子元件與電器元件的充分結(jié)合，因此，為了提高電氣設(shè)備的運(yùn)行性能，在有限元法分析法的應(yīng)用背景下，如何科學(xué)處理逆變器柜體靜強(qiáng)度是相關(guān)人員必須思考和解決的問(wèn)題。

1 有限元分析法概述

有限元法分析法首先需要采用離散處理的方式，將實(shí)體幾何劃分成若干個(gè)小單元，然后，將各個(gè)單元的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有效連接，形成一個(gè)新的有限元模型，接著，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分處理，使其轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的有限元問(wèn)題[1]，最后，采用歸納求解的方式，將有限元問(wèn)題轉(zhuǎn)化為線型方程問(wèn)題。在對(duì)單元網(wǎng)格進(jìn)行劃分的過(guò)程中，相關(guān)人員要靈活運(yùn)用有限元思想，科學(xué)調(diào)整和控制柜體結(jié)構(gòu)形狀以及尺寸大小，使得復(fù)雜的幾何模型問(wèn)題變得更加簡(jiǎn)單化，為后期高效地處理幾何模型打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此外，還要充分利用有限元思想的易于理解性和計(jì)算結(jié)果高精度性等特征，有效地解決項(xiàng)目工程中出現(xiàn)的各種應(yīng)力分析問(wèn)題。

2 逆變器柜體靜強(qiáng)度分析

2.1 建模注意事項(xiàng)

在構(gòu)建柜體有限元模型的過(guò)程中，相關(guān)人員要充分利用Hypermesh軟件，從以下幾個(gè)方面入手，選擇合適的單元，對(duì)柜體結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真處理，以保證預(yù)期應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可靠性和準(zhǔn)確性，只有這樣，才能保證柜體有限元模型構(gòu)建的科學(xué)性和合理性。

2.2 模型簡(jiǎn)化

實(shí)體模型簡(jiǎn)化處理作為建立柜體有限元模型的首要環(huán)節(jié)，在具體的實(shí)施中，需要相關(guān)人員在參照物理模型的基礎(chǔ)上，完成對(duì)柜體力學(xué)模型的創(chuàng)建。同時(shí)，在對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行導(dǎo)入操作之前，需要在綜合考慮建模時(shí)間和計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，根據(jù)實(shí)際需求，完成對(duì)實(shí)體模型的科學(xué)簡(jiǎn)化，確保所簡(jiǎn)化的實(shí)體模型能夠真實(shí)有效地反映出原有柜體結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，此外，還要盡可能提高虛擬仿真結(jié)果的可靠性[2]。

2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格單元?jiǎng)澐仲|(zhì)量直接影響了柜體有限元模型計(jì)算結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，因此，相關(guān)人員要從網(wǎng)格數(shù)量控制和網(wǎng)格疏密性調(diào)整兩個(gè)環(huán)節(jié)出發(fā)，完成對(duì)網(wǎng)格的合理劃分。在控制網(wǎng)格數(shù)量的過(guò)程中，相關(guān)人員要針對(duì)最終的計(jì)算結(jié)果，對(duì)數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行科學(xué)調(diào)整，確保網(wǎng)格數(shù)量與計(jì)算結(jié)果的精確度之間存在正相關(guān)關(guān)系，此外，還要保證所設(shè)置的網(wǎng)格數(shù)量具有較高的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，為后期更好地優(yōu)化網(wǎng)格，提高計(jì)算結(jié)果的精確性打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。網(wǎng)格疏密性控制主要是指針對(duì)柜體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力大小，對(duì)單元網(wǎng)格進(jìn)行科學(xué)劃分，以達(dá)到提高計(jì)算結(jié)果可靠性和真實(shí)性的目的，同時(shí)，對(duì)于應(yīng)力比較集中的網(wǎng)格，要將其劃分為比較細(xì)密的網(wǎng)格，對(duì)于承受應(yīng)力較小的單元網(wǎng)格，需要將其劃分為比較疏松的單元網(wǎng)格。

2.4 建立柜體有限元模型

2.4.1 有限元模型。逆變器柜體主要由以下兩個(gè)部分組成，分別是鈑金件、和方鋼，然后，在逆變器柜體板上安裝多種的電器設(shè)備，如電子電容器、散熱膜、控制箱等。同時(shí)，在結(jié)合幾何模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)使用proE軟件，對(duì)STP格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其變?yōu)镮GES格式，然后，使用相關(guān)設(shè)計(jì)軟件，以劃分單元的方式，對(duì)逆變器柜體進(jìn)行離散處理，從而得到如圖1所示的柜體有限元模型，此外，還要盡可能提高柜體有限元模型的構(gòu)建水平，為保證后期仿真計(jì)算結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性提供重要的依據(jù)和參考。

圖1 柜體有限元模型

2.4.2 材料性能。本次所選用的柜體材料為06Cr19Ni10，該柜體材料性能參數(shù)如表1所示。

表1 材料性能參數(shù)

2.4.3 計(jì)算工況及約束邊界條件。逆變器柜體在具體的使用中，需要將其放置于吊耳附近，同時(shí)，還要將八個(gè)螺栓安裝和固定在柜體底架橫梁上，確保柜體與車(chē)體之間不出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此外，還要將螺栓孔設(shè)置為六個(gè)不同大小的自由度，接著，嚴(yán)格按照EN6137施加相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，完成柜體計(jì)算荷載的統(tǒng)計(jì)和匯總，然后，在慣性力的作用下，確保柜體的應(yīng)力水平達(dá)到正常狀態(tài)。

2.5 有限元靜力分析

2.5.1 靜力分析步驟。為充分發(fā)揮有限元分析法的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，相關(guān)人員要嚴(yán)格按照以下操作步驟，完成有限元靜力的科學(xué)分析。①柜體有限元模型的科學(xué)創(chuàng)建。在這一環(huán)節(jié)中，相關(guān)人員要將幾何模型、定義材料、網(wǎng)格劃分等相關(guān)信息輸入到指定的系統(tǒng)中，以達(dá)到成功建模的目的。②柜體荷載施加與求解。在這一環(huán)節(jié)中，相關(guān)人員要采用施加載荷的方式，根據(jù)設(shè)定好的約束條件，完成對(duì)靜力分析結(jié)果的計(jì)算和匯總。③結(jié)果查看。為了檢驗(yàn)最終計(jì)算結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，相關(guān)人員要認(rèn)真檢查分析結(jié)果，一旦發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果誤差偏大，要及時(shí)糾正，避免因計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確而影響后期逆變器柜體靜強(qiáng)度控制水平。

2.5.2 計(jì)算結(jié)果分析。在分析最終計(jì)算結(jié)果的過(guò)程中，相關(guān)人員要在充分結(jié)合逆變器柜體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行環(huán)境的基礎(chǔ)上，對(duì)柜體有限元網(wǎng)格構(gòu)建質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，以保證有限元網(wǎng)格設(shè)計(jì)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，只有這樣，才能確保車(chē)體與柜體連接的穩(wěn)定性、可靠性和安全性。此外，相關(guān)人員還要根據(jù)電子元件使用需求，借助柜體結(jié)構(gòu)，不斷修改、優(yōu)化和完善相關(guān)模擬方案，確保所構(gòu)建的柜體有限元模型能夠真實(shí)地反映柜體結(jié)構(gòu)實(shí)際參數(shù)，確保柜體結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性。另外，還要將五種不同的工況導(dǎo)入到相關(guān)分析軟件中，對(duì)各個(gè)工況的最大應(yīng)力和最大位移進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，從而得出不同工況對(duì)應(yīng)計(jì)算結(jié)果。在不同工況下，逆變器柜體最大相對(duì)位移達(dá)到了2.44mm，這種現(xiàn)象主要發(fā)生在柱梁焊縫處，而其他工況對(duì)應(yīng)的柜體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力和最大位移相對(duì)較小。在吊座附近處，發(fā)現(xiàn)工況4的最大應(yīng)力達(dá)到了152.73MPa，由此可見(jiàn)，柜體結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度均符合靜力設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在有限元法分析法的應(yīng)用背景下，為進(jìn)一步提高電氣設(shè)備的運(yùn)行性能，相關(guān)人員要加強(qiáng)對(duì)逆變器柜體靜強(qiáng)度的科學(xué)處理。首先，匯總出逆變器柜體靜強(qiáng)度在不同工況下的分析結(jié)果，然后，從檢測(cè)剛度和檢測(cè)強(qiáng)度兩個(gè)環(huán)節(jié)出發(fā)，對(duì)逆變器柜體質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，確保柜體質(zhì)量達(dá)標(biāo)，同時(shí)，還要根據(jù)柜體整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)柜體最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度值，說(shuō)明柜體靜強(qiáng)度符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和要求。為后期更好地優(yōu)化電氣設(shè)備運(yùn)行性能提供重要的依據(jù)和參考。