陳宇航，郇文明，郭城志

應(yīng)用研究

船用配電柜承重梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

陳宇航1，郇文明1，郭城志2

(1. 海裝沈陽局駐葫蘆島地區(qū)軍事代表室，沈陽 110000；2. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

針對船用配電柜受到外部沖擊可能發(fā)生功能失效這一現(xiàn)象，對船用配電柜承重梁結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，在符合規(guī)定的外形尺寸與重量范圍內(nèi)通過優(yōu)化設(shè)計增強結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能。采用有限元法對四種不同結(jié)構(gòu)的承重梁結(jié)構(gòu)進行抗沖擊仿真計算，得到相應(yīng)的抗沖擊響應(yīng)應(yīng)力和變形。通過對比分析得到在相同重量下，抗沖擊性能最強，性價比最高的配電柜承重梁結(jié)構(gòu)型式，可以為同類型的配電柜承重梁結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

船用配電柜承重梁 有限元法 抗沖擊

0 引言

船用配電柜承重梁在支撐和保護配電柜中起到關(guān)鍵作用。在執(zhí)行任務(wù)過程中，配電柜可能受到很大沖擊，抗沖擊性能強的承重梁能承受住該沖擊力，繼續(xù)起到支撐作用，從而能保護配電柜中各種器件。承重梁截面的結(jié)構(gòu)在梁受力中起重要作用，因此，在保證外形尺寸和重量的前提下，最大限度的提高承重梁的結(jié)構(gòu)強度和抗沖擊性能，是當今承重梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的熱點問題。

已有眾多學者對承重梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計展開過研究，趙強[1]等人采用ANSYS有限元優(yōu)化分析方法，對承重梁截面進行優(yōu)化分析，對工程設(shè)計中的復(fù)雜結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。胡苗[2]等人分析了造橋機在進行混凝土箱梁澆筑施工時的受力狀態(tài)，對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化得到較理想的結(jié)構(gòu)模型。黃坤[3]等人研究了懸索承重梁耦合結(jié)構(gòu)的垂向運動動力學模型，結(jié)果顯示系統(tǒng)僅發(fā)生低頻或高頻主共振時，結(jié)構(gòu)的振幅會隨激勵幅值和頻率變化出現(xiàn)突然跳躍。劉燦培[4]研究了電梯主機承重梁在工程實踐中的非標升級問題，提出了一種基于Excel軟件的快速設(shè)計方法。段博[5]等人提出了一種新型的內(nèi)爬塔吊承重梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其主體結(jié)構(gòu)面外彎矩更小，可使結(jié)構(gòu)鋼筋用量大幅降低，具有很好的推廣前景。

本文采用有限元研究方法，對不同的配電柜承重梁結(jié)構(gòu)進行仿真計算。通過對比分析不同結(jié)構(gòu)下承重梁的性能，得到較優(yōu)的配電柜承重梁結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

1 配電柜承重梁模型

配電柜承重梁在支撐柜體的重量上起關(guān)鍵作用。其主要分布在柜體的四周，是柜體的主骨架，其結(jié)構(gòu)如圖一所示，圖上已標出承重梁對應(yīng)位置。

圖1 配電柜框架及承重梁

配電柜承重梁的結(jié)構(gòu)強度和抗沖擊性能在整個配電柜的抗沖緩振中有決定性作用。在對承重梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，在使用相同載荷的前提下，我們考慮了四種常用的結(jié)構(gòu)型式，分別是半開口型、矩形、C型和開口型，其截面形狀如圖2所示。

圖2 不同結(jié)構(gòu)的承重梁橫截面

研究選取的半開口型、矩形、C型和開口型承重梁模型的截面積相同，代表四種不同結(jié)構(gòu)的承重梁的重量相同。其中半開口型的高度尺寸最大，另外三種結(jié)構(gòu)的高度尺寸接近，開口型的寬度尺寸最大，半開口型和C型的寬度尺寸相同，矩形的寬度尺寸最小。

2 沖擊計算輸入

根據(jù)GJB1060.1-91“艦船環(huán)境條件要求-機械環(huán)境”中對艦船結(jié)構(gòu)以及設(shè)備的沖擊設(shè)計要求，按照設(shè)備抗沖擊等級對于艦船航行和性能的重要程度，把設(shè)備分為A、B、C三個等級。在配電柜中安裝有大量控制開關(guān)和電力電子元器件，在電機與船用負載間起關(guān)鍵樞紐作用，所以配電柜應(yīng)定為A級設(shè)備。

對水面艦船來說，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、甲板部位安裝設(shè)備和外板部位安裝設(shè)備。配電柜位于艦船甲板，通過底座固定在甲板上，應(yīng)該歸類于甲板安裝設(shè)備。

經(jīng)過上述分析，船用配電柜的沖擊環(huán)境設(shè)計值選取如表1所示。

表1 船用電器柜沖擊環(huán)境設(shè)計值

表中A、V表示選用彈性設(shè)計時對應(yīng)的加速度和速度值。0、0是對應(yīng)船用設(shè)備的基準加速度和速度值，可通過下面公式計算。

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

3 沖擊計算結(jié)果

在結(jié)構(gòu)強度計算過程中，假設(shè)材料材質(zhì)均勻且各向同性，連接位置穩(wěn)固可靠，尺寸皆為名義尺寸無誤差，固定處剛性無變形。

表2 材料機械屬性

根據(jù)上節(jié)的沖擊計算輸入得到的垂向（Z向）加速度值，將加速度賦入底座模型進行沖擊計算得到柜體承重梁的沖擊響應(yīng)。本文只選取承重梁中的支撐梁應(yīng)力和變形云圖以及最大值進行討論分析。四種不同結(jié)構(gòu)支撐梁橫向沖擊響應(yīng)應(yīng)力云圖如圖3所示，變形云圖如圖4所示，縱向沖擊響應(yīng)應(yīng)力云圖如圖5所示，變形云圖如圖6所示。

記錄四種承重梁的橫向和縱向沖擊響應(yīng)最大應(yīng)力和變形值如表3所示，可以看到半開口型承重梁的橫向和縱向沖擊應(yīng)力值和變形量最大，對于橫向受力，開口型承重梁應(yīng)力值和變形量大于C型結(jié)構(gòu)，而對于縱向受力，C型結(jié)構(gòu)承重梁的應(yīng)力值和變形量大于開口型，矩形結(jié)構(gòu)兩個方向的應(yīng)力值和變形量均最小。

圖3 承重梁橫向沖擊響應(yīng)應(yīng)力云圖

圖4 承重梁橫向沖擊響應(yīng)變形云圖

圖5 承重梁縱向沖擊響應(yīng)應(yīng)力云圖

4 結(jié)束語

本文使用有限元仿真分析法，對半開口型、矩形、C型和開口型的配電柜承重梁進行了分析和計算。從尺寸重量、抗沖擊性能和性價比等方面綜合評估四種承重梁的結(jié)構(gòu)強度，得出結(jié)論如下：

1）在不同結(jié)構(gòu)承重梁重量相同的情況下，開口型的寬度尺寸最大，半開口型和C型的寬度尺寸相同，半開口型的高度尺寸最大。

2）在不同結(jié)構(gòu)承重梁重量相同的情況下，矩形的抗沖擊性能最強，半開口型最弱。

3）矩形結(jié)構(gòu)的配電柜承重梁結(jié)構(gòu)簡單、抗沖擊能力強、制造簡單、成本低，作為船用配電柜承重梁最為合適。

表3 沖擊響應(yīng)最大應(yīng)力和變形值

圖6 承重梁縱向沖擊響應(yīng)變形云圖

[1] 趙強, 邱黃林, 柯貴喜. 基于有限元的承重梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J]. 新技術(shù)新工藝, 2008, (10): 32-33.

[2] 胡苗, 徐學林. 應(yīng)用有限元對造橋機承重主梁結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化[J]. 裝備制造, 2009(05): 149-150.

[3] 黃坤, 溫建明, 馮奇. 懸索承重梁索耦合結(jié)構(gòu)的垂向運動動力學模型及主共振分析[J]. 工程力學, 2013,30(2):8

[4] 劉燦培. 一種基于Excel軟件的電梯主機承重梁快速設(shè)計方法[J]. 中國電梯, 2015, 26(23): 16-19.

[5] 段博, 馬天雨, 韓君. 一種新型內(nèi)爬塔吊承重梁的設(shè)計與應(yīng)用[J]. 建筑施工, 2023, 45(01): 100-103.

Structural optimization design of marine electrical cabinet bearing beam

Chen Yuhang1, Xun Wenming1, Guo Chengzhi2

(1. Military Representative office of the Naval Equipment Shenyang Bureau in Huludao Region, Shenyang 110000, China；2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM642

A

1003-4862（2023）12-0050-03

2023-07-06

陳宇航（1991-），男，工程師。研究方向：船舶電力系統(tǒng)。E-mail：chen_yh316@126.com