尚效周，薛進緯，莫非，祝德春

(1.南瑞集團公司 國網電力科學研究院, 江蘇 南京 211106；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

0 引言

近年來，電力電子設備在我國電網裝備的應用中發(fā)展迅速，其中IGBT功率模塊是電力電子設備的核心部件，是影響設備質量和壽命的關鍵部件。功率模塊在運輸過程中，會受到不同程度的振動與沖擊。為了檢驗功率模塊在振動沖擊環(huán)境下的可靠性，目前通常用軟件仿真分析的方法模擬真實環(huán)境工況進行驗證，確保模塊在真實環(huán)境下可靠、穩(wěn)定地工作。振動夾具是連接模塊與試驗臺的中間機構，能有效把振動臺的載荷傳遞給試件，通過測試IGBT模塊的振動響應，理論判定模塊的可靠性。夾具的結構設計合理與否關系到試驗的成敗，關系到IGBT功率模塊可靠性驗證失真程度的大小[1]。

本文根據IGBT功率模塊在垂直方向上、位于安裝板上、下邊沿的安裝孔螺栓限位、壁掛偏心安裝的要求，設計了相應的夾具結構方案，通過對不同材料、不同結構形式和不同成型方式的夾具固有振動頻率的仿真計算，并對夾具的質量、成本進行了分析，形成了最終的夾具設計方案。該方案及其設計方法對類似試驗對象垂直方向、偏心安裝的振動試驗夾具剛度設計具有一定的參考意義。

1 夾具的結構設計

功率模塊的力學模擬試驗環(huán)境和振動夾具的設計以及振動試驗的控制方法密切相關，假設在理想狀態(tài)下振動夾具的作用是能夠使功率模塊的力學參數準確、真實、清晰地傳遞到模塊上，既不存在試驗放大(過實驗)，也不存在試驗考核不足(欠試驗)的情況[2]。

夾具設計的基本要求主要有以下幾點[3]：

1)初步設計完成后，對夾具進行仿真分析，確定其應具有盡可能高的固有頻率；2)夾具的質量盡可能小；3)夾具的可制造性盡可能簡單；4)夾具連接的IGBT功率模塊能符合產品實際的工作狀態(tài)。

夾具的結構設計需要綜合考慮多方面的因素，包括與臺面連接的多個狀態(tài)、安裝和吊裝可重復性等，最重要的是要考慮夾具和試件的質心。該質心應該和振動臺激振力的方向保持一致才能避免振動臺受力不均或共振等問題[4]。

1.1 振動試驗載荷

本次試驗根據能源局標準和廠家技術要求對功率模塊進行模擬試驗分析。將功率模塊固定在夾具上，夾具固定在試驗平臺上。能源局標準《NBT 31041—2012 海上雙饋風力發(fā)電機變流器》規(guī)定耐振動性能應符合GB/T3783—2008 中7.1.13.2的要求，試驗條件為GB/T3783—2008表13中規(guī)定的“一般場所”，振動試驗參數如表1所示。

表1 GB/T3783-2008規(guī)定的振動試驗參數

廠家對機械振動技術要求如表2所示。

表2 風電變流器主機廠規(guī)定的振動試驗參數

結合能源局標準要求和廠家機械振動技術要求，本次試驗選用振動試驗參數為表3所示。

表3 本文選取的振動參數

1.2 夾具的技術指標

夾具作為振動試驗的過渡件，要求具有良好的動態(tài)特性。夾具通過底部安裝板固定在試驗臺上，將振動臺產生的規(guī)定頻率范圍的振動位移或加速度傳遞給安裝在夾具上的IGBT功率模塊，通過測試IGBT功率模塊在振動環(huán)境下的振動響應來評價IGBT功率模塊的抗振動性能。夾具設計的主要技術指標為：

1)夾具在垂直壁板單側提供不少于長360 mm×寬114 mm×高350 mm的IGBT功率模塊安裝空間，IGBT功率模塊最大質量為40 kg；

2)IGBT功率模塊振動試驗頻率范圍為2～200 Hz。為避免因制造和分析誤差造成夾具固有頻率過低從而在試驗時夾具本身發(fā)生共振，夾具的第1階固有頻率應大于最大試驗頻率的1.25倍，即250 Hz。

3)滿足剛度、頻率、位移約束的條件下，應最大限度地降低夾具的質量[5]，建議夾具總質量不超過40 kg。

1.3 夾具的結構設計

根據IGBT功率模塊的安裝形式要求，夾具需在垂直壁板一側提供一個U型的安裝空間用于安裝IGBT功率模塊。為保證夾具的振動固有頻率和剛度，垂直壁板的另一側宜設置加強筋。本次試驗擬選用型號為DC-4000-40的電動振動試驗臺，該試驗臺的主要技術參數如表4所示。

表4 電動振動試驗系統(tǒng)參數

振動試驗臺臺面的尺寸為750 mm×750 mm，螺紋安裝孔為M8的公制螺紋孔，安裝孔間距為100 mm且呈矩陣式排布。IGBT功率模塊通過螺栓固定在夾具上。底板與振動試驗臺的臺面通過螺栓連接。

夾具結構的初始設計主要考慮夾具的彎曲和扭轉剛度、質量和固有頻率等基本參數，質量和剛度是影響固有頻率的重要因素。夾具本身質量越大，振動臺輸出振動加速度就越小。為了保證振動臺的功能，夾具的質量在保證剛度的前提下，越小越好[6]。使用Creo1.0軟件建立了夾具的三維數字化模型，夾具的三維模型及主要特征尺寸如圖1所示。

圖1 夾具外觀模型及外形尺寸圖

2 夾具的振動特性分析

在IGBT功率模塊振動試驗的夾具有限元模型建模時，IGBT功率模塊采用質量為40 kg的點質量等效，點質量與位于夾具上的IGBT功率模塊安裝孔通過剛性單元連接。位于夾具底板上的振動臺連接孔采用固定約束邊界。IGBT功率模塊在夾具上的安裝方式示意圖及夾具等效有限元模型圖如圖2所示。

圖2 模塊在夾具上安裝示意圖及等效模型圖

振動試驗夾具使用的材料應是比剛度大、阻尼大的材料，使得夾具具有質量輕、剛度高且在振動頻率范圍內無明顯的諧振峰值的特點。對于大多數金屬而言，它們的比剛度接近，選用不同的金屬材料不會明顯改變振動夾具的頻率特性[7]，但當夾具所使用的材料密度相差較大時，可以明顯降低夾具的質量。本文分別對比剛度大、阻尼大的Q235鋼和鋁合金6063的振動試驗夾具振動特性進行分析，上述材料的物理力學性能參數如表5所示。

表5 本文研究的振動夾具擬使用材料的物理力學參數

通過有限元軟件計算的采用Q235鋼和鋁合金6063的振動試驗夾具前6階模態(tài)振型分別如圖3和圖4所示。

圖3 Q235鋼夾具1-6階模態(tài)振型

圖4 鋁合金夾具1-6階模態(tài)振型

分別采用Q235鋼和鋁合金6063的振動試驗夾具前6階模態(tài)頻率如表6所示。

表6 不同材料振動試驗夾具振動模態(tài)頻率

從圖3-圖4可以看出，采用Q235鋼和鋁合金6063材料制成的夾具第1階振型均為夾具壁板法向1階彎曲，采用Q235鋼制成的夾具第2階振型為夾具垂直方向1階扭轉，而采用鋁合金6063制成的夾具第2階振型為夾具壁板水平方向1階彎曲。這兩種振型均會影響振動試驗中振動臺傳遞至被測對象的載荷幅值與載荷作用的方向。當振動試驗載荷頻率范圍低于夾具的上述振型對應的固有頻率時，不存在載荷傳遞放大和方向改變的情況。從表6亦可以看出，采用Q235鋼和鋁合金6063材料制成的夾具第1階固有頻率均>250 Hz,均能滿足夾具的第1階固有頻率應大于最大試驗頻率的1.25倍的要求，故采用Q235鋼和鋁合金6063材料制成的上述夾具振動頻率均滿足試驗要求。

3 振動試驗夾具的質量優(yōu)化設計

振動試驗臺的所需推力F應滿足：

F≥(m1+m2+m3)a

(1)

式中：a為振動加速度；m1為動圈的質量(若有滑臺、擴展臺面應按照三者的總質量考慮)；m2為振動夾具的質量；m3為模塊的質量。為了保護試驗臺，一般按照振動臺最大推力的80%考慮[2]。式中:a=g;m1=120 kg;m3=40 kg。按照以上數值計算，振動夾具m2的質量應<3 040 kg。

經計算，Q235鋼材料的夾具質量約為99 kg，鋁合金6063材料夾具的質量約為35 kg，均小于要求的質量3 040 kg。

本文通過對比整體機加工成型、鑄造、螺接、焊接等幾種成型方式[8]，充分考慮加工成本、周期、結構穩(wěn)定性等因素，基于整體機加工成型的工藝對夾具開展質量優(yōu)化設計。從上述夾具振動模態(tài)振型可以看出，夾具壁板側面的加強肋主要起減小壁板沿著壁板法向彎曲振動的作用，加強肋與壁板連接的根部區(qū)域變形量小，為非主承力區(qū)，在設計時該部分材料可以去除。為保證壁板的完整性，未對壁板進行材料去除的質量優(yōu)化設計。優(yōu)化設計后的夾具結構尺寸如圖5所示。

圖5 質量優(yōu)化后夾具的特征尺寸圖

按照上文所述的邊界條件，對優(yōu)化后的夾具進行動力學特性分析，夾具的前6階振動模態(tài)頻率和振型如表7所示。

表7 質量優(yōu)化后夾具的前6階固有頻率

從表7可以看出，質量優(yōu)化后的夾具第1-2階模態(tài)振型分別為夾具壁板法向1階彎曲、夾具壁板水平方向1階彎曲，均為影響載荷傳遞的主要振型，但對應的模態(tài)頻率均>250 Hz，依然滿足本文研究的試驗要求。

經計算，優(yōu)化后的振動試驗夾具為鋁合金6063材質，其質量為32.66 kg，相比優(yōu)化前降低了6.8%，有效降低了振動試驗臺的負載，達到了減重的目標。

4 結語

本文利用有限元分析軟件對IGBT功率模塊抗振性能試驗夾具進行模態(tài)分析，分別計算了采用Q235鋼和鋁合金6063材料制成的夾具的模態(tài)頻率和模態(tài)振型，分析了振型對從振動臺傳遞至被測對象的載荷幅值與載荷作用方向的影響，進而評估了相應振型對應的模態(tài)頻率是否處于振動試驗載荷頻率范圍，以此驗證初始設計的可行性，在此基礎上提出了減重優(yōu)化設計方案并進行了動力學特性分析校核，獲得了質量較輕的振動試驗夾具設計方案。本文的研究思路對類似較大高度尺寸夾具的垂直壁板單側偏心安裝的振動試驗件，寬頻率范圍抗振性能試驗研究中的夾具結構設計具有一定的參考價值。