一種電力機車微機柜的結(jié)構(gòu)靜強度分析

文／衛(wèi)玉·太原暢通致遠鐵路機車車輛電子有限公司

導 語

隨著我國軌道交通行業(yè)的高速發(fā)展，電力機車司機室內(nèi)電子設備的安全性和可靠性得到了越來越多的重視，本文介紹了一種電力機車微機柜的結(jié)構(gòu)，并用有限元分析模擬了其結(jié)構(gòu)強度和剛度的可靠性，以此說明柜體結(jié)構(gòu)設計合理。

近年來，我國鐵路裝備制造業(yè)發(fā)展迅速，對電力機車內(nèi)部的柜體結(jié)構(gòu)性能提出了更高的要求，電子設備的機械結(jié)構(gòu)伴隨著軌道交通行業(yè)的蓬勃發(fā)展，形成了一個學科，電子設備的結(jié)構(gòu)大部分是由鈑金件折彎焊接起來的。

柜體內(nèi)部安裝有高密度的電子元器件，柜體作為承載電子器件的基礎結(jié)構(gòu)，其強度、剛度可靠才能保證設備的正常運行。本文介紹了一種微機柜的結(jié)構(gòu)組成，并且建立了有限元模型，分析了其強度和剛度，為設備的實際安裝提供了數(shù)據(jù)支持。

微機柜的總體結(jié)構(gòu)設計

微機柜由主體框架、A 和B 組插件箱（6U 插箱）、風扇冷卻裝置、焊接散熱器組成。圖1 和圖2 是微機柜的三維結(jié)構(gòu)模型圖和內(nèi)部組成圖。

圖1 微機柜三維結(jié)構(gòu)模型圖

圖2 微機柜的內(nèi)部組成圖

微機柜主體框架結(jié)構(gòu)由2 ～4mm 厚度的優(yōu)質(zhì)冷軋薄鋼板折彎焊接而成，微機柜柜體主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為，外形尺寸為910mm×870mm×553mm；柜體主體框架重約100kg，A、B 組插件箱各重約30kg，風扇冷卻裝置重約10kg。焊接標準滿足《BS EN1508-1-2007鐵路上的應用-鐵路車輛及其部件的焊接》。

理論基礎

在彈性力學中關于圣維南原理的內(nèi)容是：分布于彈性體上一小塊面積(或體積)內(nèi)的荷載所引起的物體中的應力，在離荷載作用區(qū)稍遠的地方，基本上只與同荷載的合力和合力矩有關；荷載的具體分布只影響荷載作用區(qū)附近的應力分布。還有一種等價的提法:如果作用在彈性體某一小塊面積(或體積)上的荷載的合力和合力矩都等于零，則在遠離荷載作用區(qū)的地方，應力就小得幾乎等于零。

在材料力學中四大強度理論，可以統(tǒng)一用公式表達： σr≤［σ］。式中σr表示計算應力；［σ］表示材料的許用應力。

建立有限元模型

微機柜柜體材料牌號為Q235A 和SUS304，其技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 不同微機柜柜體材料的技術(shù)參數(shù)

靜力學分析是用來分析計算，結(jié)構(gòu)在受到固定不變載荷的作用時所產(chǎn)生的響應，包括結(jié)構(gòu)的形變、應力和應變等。有限元分析工程包括三個階段：前處理階段、求解階段、后處理階段。

前處理階段

⑴有限元模型要適當簡化，去掉一些不影響整體結(jié)構(gòu)分析的零部件，本次分析柜體去掉的零件有：柜門門板、散熱器外罩、后面板組件、風扇冷卻裝置、風扇外罩。

⑵網(wǎng)格劃分過程中，采用六邊形網(wǎng)格，最終網(wǎng)格單元數(shù)量為143362 個，節(jié)點數(shù)量為1040851 個，網(wǎng)格劃分圖如圖3 所示。

圖3 微機柜柜體網(wǎng)格劃分圖

⑶施加約束條件。

約束條件為微機柜柜體底板4個安裝孔處圓柱面約束（Cylindrical Support），徑向約束和法向約束，如圖4所示。

圖4 微機柜柜體底部約束條件圖

⑷施加固定載荷。

在放置A、B 組插件箱處的橫梁上各施加75N 的壓力，在放置風扇冷卻裝置的橫梁上各施加50N 的壓力，包括重力加速度-Y 方向，如圖5 所示。

圖5 柜體施加約束條件和固定載荷

求解階段

通過有限元軟件進行求解solve。

后處理階段

從微機柜主體框架位移云圖（圖6）中，可以看出柜體最小變形發(fā)生在柜體后下側(cè)，位移最大發(fā)生在放置A 組插件箱的中間梁部位處，最大位移值0.23mm，數(shù)值較小，可以忽略不計。

圖6 微機柜主體框架位移云圖

從微機柜主體框架應力云圖（圖7）中，可以看出柜體固定約束端的長圓孔處發(fā)生了應力集中現(xiàn)象，但是根據(jù)圣維南原理可知，固定約束處的應力值不可信。

圖7 微機柜主體框架應力云圖

根據(jù)結(jié)構(gòu)強度經(jīng)驗判斷，柜體應力的最大值的應該出現(xiàn)在放置插件箱的位置處，從局部應力云圖（圖8）中看到，整體柜體應力值除了固定約束處的應力值在200MPa 附近，其余部位的應力值均未超過材料Q235A 的屈服強度235MPa。在實際應用中，我們只關心一些危險點，只要這些危險點不存在強度問題，我們就認為整個構(gòu)件是沒有問題的。綜上所述，柜體結(jié)構(gòu)設計合理。

圖8 微機柜主體框架應力局部放大圖

結(jié)束語

本文根據(jù)微機柜的結(jié)構(gòu)特性，介紹了鈑金類裝配體的有限元建模過程，包括有限元模型的簡化處理、網(wǎng)格劃分等。

運用有限元軟件對其進行靜強度分析，得到了柜體的位移云圖和應力分布云圖。且應力值均小于材料的屈服強度，滿足靜強度要求。

分析結(jié)果證明了柜體結(jié)構(gòu)強度完全滿足使用要求，而且有很大的優(yōu)化設計的空間，這也為對柜體進行拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計提供一定的參考。下一步將會進行柜體的拓撲優(yōu)化設計、模態(tài)分析、散熱分析等。