文／衛(wèi)玉·太原暢通致遠(yuǎn)鐵路機(jī)車車輛電子有限公司

導(dǎo) 語(yǔ)

隨著我國(guó)軌道交通行業(yè)的高速發(fā)展，電力機(jī)車司機(jī)室內(nèi)電子設(shè)備的安全性和可靠性得到了越來(lái)越多的重視，本文介紹了一種電力機(jī)車微機(jī)柜的結(jié)構(gòu)，并用有限元分析模擬了其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的可靠性，以此說(shuō)明柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

近年來(lái)，我國(guó)鐵路裝備制造業(yè)發(fā)展迅速，對(duì)電力機(jī)車內(nèi)部的柜體結(jié)構(gòu)性能提出了更高的要求，電子設(shè)備的機(jī)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(gè)學(xué)科，電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)大部分是由鈑金件折彎焊接起來(lái)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(chǔ)結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度、剛度可靠才能保證設(shè)備的正常運(yùn)行。本文介紹了一種微機(jī)柜的結(jié)構(gòu)組成，并且建立了有限元模型，分析了其強(qiáng)度和剛度，為設(shè)備的實(shí)際安裝提供了數(shù)據(jù)支持。

微機(jī)柜的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

圖1 微機(jī)柜三維結(jié)構(gòu)模型圖

圖2 微機(jī)柜的內(nèi)部組成圖

微機(jī)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(jī)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(fēng)扇冷卻裝置重約10kg。焊接標(biāo)準(zhǔn)滿足《BS EN1508-1-2007鐵路上的應(yīng)用-鐵路車輛及其部件的焊接》。

理論基礎(chǔ)

在彈性力學(xué)中關(guān)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(yīng)力，在離荷載作用區(qū)稍遠(yuǎn)的地方，基本上只與同荷載的合力和合力矩有關(guān)；荷載的具體分布只影響荷載作用區(qū)附近的應(yīng)力分布。還有一種等價(jià)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(yuǎn)離荷載作用區(qū)的地方，應(yīng)力就小得幾乎等于零。

在材料力學(xué)中四大強(qiáng)度理論，可以統(tǒng)一用公式表達(dá)： σr≤［σ］。式中σr表示計(jì)算應(yīng)力；［σ］表示材料的許用應(yīng)力。

建立有限元模型

微機(jī)柜柜體材料牌號(hào)為Q235A 和SUS304，其技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 不同微機(jī)柜柜體材料的技術(shù)參數(shù)

靜力學(xué)分析是用來(lái)分析計(jì)算，結(jié)構(gòu)在受到固定不變載荷的作用時(shí)所產(chǎn)生的響應(yīng)，包括結(jié)構(gòu)的形變、應(yīng)力和應(yīng)變等。有限元分析工程包括三個(gè)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(dāng)簡(jiǎn)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(fēng)扇冷卻裝置、風(fēng)扇外罩。

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

圖3 微機(jī)柜柜體網(wǎng)格劃分圖

⑶施加約束條件。

約束條件為微機(jī)柜柜體底板4個(gè)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(jī)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(fēng)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(guò)有限元軟件進(jìn)行求解solve。

后處理階段

從微機(jī)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(jì)。

圖6 微機(jī)柜主體框架位移云圖

從微機(jī)柜主體框架應(yīng)力云圖（圖7）中，可以看出柜體固定約束端的長(zhǎng)圓孔處發(fā)生了應(yīng)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(yīng)力值不可信。

圖7 微機(jī)柜主體框架應(yīng)力云圖

根據(jù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)判斷，柜體應(yīng)力的最大值的應(yīng)該出現(xiàn)在放置插件箱的位置處，從局部應(yīng)力云圖（圖8）中看到，整體柜體應(yīng)力值除了固定約束處的應(yīng)力值在200MPa 附近，其余部位的應(yīng)力值均未超過(guò)材料Q235A 的屈服強(qiáng)度235MPa。在實(shí)際應(yīng)用中，我們只關(guān)心一些危險(xiǎn)點(diǎn)，只要這些危險(xiǎn)點(diǎn)不存在強(qiáng)度問(wèn)題，我們就認(rèn)為整個(gè)構(gòu)件是沒(méi)有問(wèn)題的。綜上所述，柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

圖8 微機(jī)柜主體框架應(yīng)力局部放大圖

結(jié)束語(yǔ)

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

運(yùn)用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，得到了柜體的位移云圖和應(yīng)力分布云圖。且應(yīng)力值均小于材料的屈服強(qiáng)度，滿足靜強(qiáng)度要求。

分析結(jié)果證明了柜體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度完全滿足使用要求，而且有很大的優(yōu)化設(shè)計(jì)的空間，這也為對(duì)柜體進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考。下一步將會(huì)進(jìn)行柜體的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)、模態(tài)分析、散熱分析等。