俞科云，黃逢昱，汪正煒

船用電器柜頂部支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

俞科云1，黃逢昱2，汪正煒2

(1．海裝駐武漢地區(qū)第一軍事代表室，武漢 430000；2．武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

針對(duì)船內(nèi)電器柜受到外部沖擊可能發(fā)生功能失效這一現(xiàn)象，對(duì)船用電器柜頂部支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，增強(qiáng)其抗沖擊性能，并采用有限元法對(duì)優(yōu)化前后的船用電器柜結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗沖擊性能仿真。通過(guò)對(duì)比分析得出該優(yōu)化方案能夠改善船用電器柜的抗沖擊性能，可以為同類型的設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

船用電器柜 頂部支撐有限元法抗沖擊

0 引言

船用設(shè)備的抗沖擊性能是船上設(shè)備在遇到強(qiáng)力沖擊時(shí)能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵，對(duì)于抗沖擊性能的優(yōu)化研究一直是關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容。船用設(shè)備所受到的沖擊類型主要有碰撞沖擊、接觸性爆炸沖擊和非接觸爆炸沖擊等。沖擊載荷作用于船體結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)設(shè)備與船體間的固定裝置傳遞至設(shè)備本體，產(chǎn)生相應(yīng)的沖擊應(yīng)力應(yīng)變和沖擊響應(yīng)位移。若超出設(shè)備的抗沖擊能力，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備功能失效，甚至損壞。

為設(shè)計(jì)出高性能的抗沖擊系統(tǒng)，眾多學(xué)者在材料、結(jié)構(gòu)、連接方式等方面進(jìn)行了研究。張相聞[1]等采用已在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的蜂窩材料，設(shè)計(jì)出一種新型的蜂窩基座抗沖擊結(jié)構(gòu)，具有良好的抗沖擊性能。任晨輝[2]等通過(guò)對(duì)余弦梁的負(fù)剛度特性研究，提出設(shè)備與船體間通過(guò)多層余弦梁結(jié)構(gòu)連接來(lái)替代傳統(tǒng)隔振器的抗沖擊系統(tǒng)。陳榮[3]等對(duì)船舶機(jī)控設(shè)備的隔沖裝置進(jìn)行性能分析，研究其對(duì)設(shè)備抗沖擊性能的影響。向昊[4]在常規(guī)沖擊性能評(píng)估方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了精確度更高的評(píng)估方法。本文對(duì)船用電器柜頂部支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究，通過(guò)添加加強(qiáng)筋來(lái)提高其抗沖擊性能，并采用有限元法進(jìn)行仿真計(jì)算，與傳統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 電器柜頂部支撐動(dòng)力學(xué)模型

船用電器柜與船體采用彈性或剛性連接，根據(jù)空間位置擺放，其固定方式可分為立式和壁掛式。電器柜內(nèi)裝有大量精密電氣電子元器件，控制船舶機(jī)電設(shè)備正常工作。在彈性連接中，通常采用鋼絲繩隔振器來(lái)降低外部沖擊對(duì)柜內(nèi)設(shè)備的影響。對(duì)于鋼絲繩隔振器連接的壁掛式船用電器柜，本文提出在原有頂部L型撐板支撐的基礎(chǔ)上添加加強(qiáng)筋增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并進(jìn)一步研究加強(qiáng)筋尺寸型號(hào)對(duì)其抗沖擊性能的影響。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，建立結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的船用電器柜頂部支撐動(dòng)力學(xué)模型。本文僅對(duì)頂部支撐結(jié)構(gòu)做出改進(jìn)，電器柜框架主體以及固定方式完全一致，為便于仿真計(jì)算分析，將電器柜內(nèi)部設(shè)備簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)，鋼絲繩隔振器簡(jiǎn)化為三向彈簧，僅對(duì)其頂部支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行考核。

1）L型頂部支撐結(jié)構(gòu)：在電器柜的頂部安裝L型撐板，再通過(guò)隔振器固定在船艙壁上，如圖1所示。

圖1 L型頂部支撐結(jié)構(gòu)示意圖

2）加強(qiáng)筋式頂部支撐結(jié)構(gòu)：在原有L型撐板的基礎(chǔ)上焊接加強(qiáng)筋，再與隔振器連接固定在船艙壁上，如圖2所示。

圖2 加強(qiáng)筋式頂部支撐結(jié)構(gòu)示意圖

為進(jìn)一步研究加強(qiáng)筋在改善電器柜抗沖擊性能中發(fā)揮的作用，建立了多種尺寸型號(hào)的加強(qiáng)筋式頂部支撐結(jié)構(gòu)模型，見表1。

2 沖擊環(huán)境設(shè)計(jì)

2.1 電器柜沖擊環(huán)境分析

對(duì)電器柜的抗沖擊結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真時(shí)，應(yīng)先設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)的沖擊環(huán)境條件。通常來(lái)說(shuō)，船用電器柜的沖擊環(huán)境是在沖擊載荷下，從設(shè)備所受到的沖擊加速度，沖擊速度、位移三方面來(lái)進(jìn)行描述，即“沖擊響應(yīng)譜”。

設(shè)備的沖擊響應(yīng)譜值受到不同方向的沖擊會(huì)產(chǎn)生較大差異，因此在進(jìn)行船舶設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮內(nèi)部設(shè)備的空間位置對(duì)設(shè)備抗沖擊性能的影響[5]。壁掛式電器柜在安裝時(shí)，底部通過(guò)隔振器與船體相連，主要承受垂向沖擊，頂部通過(guò)隔振器與船艙壁相連，主要承受橫向或縱向沖擊。本文著重對(duì)電器柜頂部支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，因此，選取一橫向沖擊加速度進(jìn)行仿真計(jì)算。

表1 電器柜頂部支撐結(jié)構(gòu)分類

2.2 電器柜沖擊環(huán)境設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GJB1060.1-91“艦船環(huán)境條件要求-機(jī)械環(huán)境”中對(duì)艦船結(jié)構(gòu)以及設(shè)備的沖擊設(shè)計(jì)要求，將設(shè)備的抗沖擊等級(jí)按對(duì)艦船性能的影響分為A、B、C三級(jí)。電器柜內(nèi)裝有控制開關(guān)和各種電子元器件，是確保艦船航行和作戰(zhàn)能力的重要設(shè)備，應(yīng)定為Ａ級(jí)。

對(duì)水面艦船來(lái)說(shuō)，根據(jù)設(shè)備安裝的空間位置，將之分為船體部位安裝設(shè)備（甲類）、甲板部位安裝設(shè)備（乙類）和外板部位安裝設(shè)備（丙類）。電器柜位于船體機(jī)艙處，采用隔振器與艙壁連接，應(yīng)歸為甲類設(shè)備。此外，電器柜在受到?jīng)_擊后應(yīng)確保不會(huì)產(chǎn)生永久形變，防止對(duì)柜內(nèi)元器件造成損壞，在選用沖擊環(huán)境設(shè)計(jì)值時(shí)，應(yīng)選擇彈性設(shè)計(jì)。

經(jīng)過(guò)上述分析，船用電器柜的沖擊環(huán)境設(shè)計(jì)值選取如表2所示。

表2 船用電器柜沖擊環(huán)境設(shè)計(jì)值

表中A、V表示選用彈性設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)應(yīng)的加速度和速度值，取A和Vω兩者中較小的作為動(dòng)力學(xué)分析系統(tǒng)中的沖擊設(shè)計(jì)加速度，用D表示；A0、V0是對(duì)應(yīng)船用設(shè)備的基準(zhǔn)加速度和速度值，可通過(guò)公式（1）、（2）計(jì)算。

式中：m－設(shè)備的模態(tài)質(zhì)量，t；0、0－標(biāo)稱加速度譜和速度譜，單位分別是m/s2和m/s。

3 仿真試驗(yàn)

3.1 仿真過(guò)程

1）僅考慮材料的線彈性物理性質(zhì)，不考慮材料的塑性特性，材質(zhì)均勻無(wú)缺陷；

2）假設(shè)焊縫材料與主體材料性能相同，且為滿焊；

3）柜內(nèi)設(shè)備如功率模塊、電抗器等采用質(zhì)量點(diǎn)模擬；

4）設(shè)備所用的隔振器簡(jiǎn)化為三向彈簧；

5）不考慮構(gòu)件安裝的初始應(yīng)力，不考慮加工誤差；

6）由于未知基座模型，不考慮設(shè)備基座的抗沖擊性能，認(rèn)為其滿足正常工作要求，其頻率相對(duì)于隔振器安裝可等效為剛性,隔振器安裝位置固支。

結(jié)合電器柜實(shí)際安裝情況及抗沖擊仿真評(píng)估要求，對(duì)模型施加如下邊界條件如下：

a）主框架焊接而成，設(shè)置成綁定，個(gè)別使用螺栓連接的位置也設(shè)置成綁定；

b）底部彈簧一端和主框架底部綁定在一起，另一端固定；

c）頂部支撐結(jié)構(gòu)底板與主框架頂部綁定，側(cè)板與彈簧一端綁定，彈簧另一端固定。

以模型2為例，Ｌ型撐板底部與電器柜框架連接，側(cè)邊與隔振器連接，采用六邊形單元對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其有限元模型如圖3所示。

本文主要對(duì)電器柜頂部支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，為便于觀察，截取其頂部支撐結(jié)構(gòu)部分，如圖4所示。

圖3 有限元模型

圖4 頂部支撐有限元模型

統(tǒng)計(jì)本文列舉的電器柜頂部支撐結(jié)構(gòu)有限元模型單元，見表3。

表3 有限元模型單元統(tǒng)計(jì)表

3.2 電器柜頂部支撐沖擊響應(yīng)特性結(jié)果分析

圖5中選取了模型1~6在橫向沖擊載荷作用下的應(yīng)力分布云圖。從圖中可看出，模型1無(wú)加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，最大應(yīng)力位于L型撐板折彎處，在沖擊載荷的作用下，頂部支撐側(cè)板發(fā)生變形。模型2~6是選取了參數(shù)b不變，僅改變參數(shù)a的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)應(yīng)力分布云圖，最大應(yīng)力位于加強(qiáng)筋與L型撐板側(cè)面焊接處。在撐板厚度減少一半的情況下，焊接加強(qiáng)筋的撐板仍具有良好的穩(wěn)固性，雖然模型2、3最大應(yīng)力超出材料的屈服極限，但區(qū)域較小，不影響結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度。同時(shí)，還可看出隨著a值的增加，頂部支撐結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力逐步減小，直至達(dá)到最佳；繼續(xù)增大a值，其最大應(yīng)力又逐步增大。

圖6給出了加強(qiáng)筋參數(shù)b的選取對(duì)電器柜抗沖擊性能影響的沖擊響應(yīng)應(yīng)力云圖。從圖中可看出，電器柜頂部支撐的最大應(yīng)力與b值的選取呈負(fù)相關(guān)。但當(dāng)b值增大到一定程度時(shí)，對(duì)頂部支撐最大應(yīng)力的影響降低。

圖5 沖擊響應(yīng)應(yīng)力云圖（1）

4 結(jié)論

本文采用有限元法對(duì)電器柜頂部支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了沖擊仿真模擬，考慮到電器柜的沖擊環(huán)境、加工難度、重量等因素，設(shè)計(jì)了一種在原有L型撐板的基礎(chǔ)上焊接加強(qiáng)筋增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以此來(lái)達(dá)到提高電器柜抗沖擊性能的目的。由仿真計(jì)算結(jié)果可得到如下結(jié)論：

1）焊接加強(qiáng)筋后的頂部支撐結(jié)構(gòu)改善了設(shè)備的穩(wěn)固性，提高了電器柜的抗沖擊性能，相比于原始結(jié)構(gòu)，重量減少了40%左右。

2）電器柜頂部支撐的抗沖擊性能隨加強(qiáng)筋跨距a值的增加不斷提升，當(dāng)為85%左右時(shí)，抗沖擊性能最佳；繼續(xù)增大a，其抗沖擊性能開始降低。 3）電器柜頂部支撐的抗沖擊性能隨加強(qiáng)筋寬度b值的增加不斷提升；但當(dāng)b/a為50%左右時(shí)，繼續(xù)增大b值，對(duì)其抗沖擊性能的影響較小，在選取時(shí)應(yīng)考慮重量因素。

圖6 沖擊響應(yīng)應(yīng)力云圖（2）

[1] 張相聞, 楊德慶.船用新型抗沖擊隔振蜂窩基座[J].振動(dòng)與沖擊. 2015.

[2] 任晨輝, 楊德慶. 船用新型多層負(fù)剛度沖擊隔離器性能分析[J]. 振動(dòng)與沖擊. 2018, (10).

[3] 陳榮, 趙鼎鼎, 孫偉星, 李江. 艦船機(jī)電控制設(shè)備隔沖性能分析[J]. 噪聲與振動(dòng)控制. 2016.

[4] 向昊. 船舶上層建筑側(cè)壁結(jié)構(gòu)抗沖擊性能評(píng)估方法研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2019.

[5] 尹群. 水面艦船設(shè)備沖擊環(huán)境與結(jié)構(gòu)抗沖擊性能研究[D]. 南京: 南京航空航天大學(xué). 2006.

Optimizing Design of the Top Support Structure of Electrical Cabinet on Board

Yu Keyun1，Huang Fengyu2，Wang Zhengwei2

（1．1th Military Representative Room at Wuhan Areas, Naval Department of Equipment, Wuhan 430000, China; 2．Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TB122

A 文獻(xiàn)分類號(hào)：1003-4862（2021）06-0062-04

2020-11-23

俞科云（1971-），男，高級(jí)工程師。研究方向：輪機(jī)工程。Email：