基于響應(yīng)譜法的機(jī)柜抗震性能研究

代廷振，顧錦書(shū)，高學(xué)斌

(南京國(guó)電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，南京 211153)

基于響應(yīng)譜法的機(jī)柜抗震性能研究

代廷振，顧錦書(shū)，高學(xué)斌

(南京國(guó)電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，南京 211153)

采用有限元分析軟件(ANSYSWorkbench)對(duì)某智能電網(wǎng)二次機(jī)柜進(jìn)行模態(tài)分析，研究其動(dòng)力學(xué)特性，在此基礎(chǔ)運(yùn)用響應(yīng)譜法進(jìn)行機(jī)柜的抗震研究。通過(guò)仿真獲得機(jī)柜的薄弱環(huán)節(jié)，并以此進(jìn)行優(yōu)化，使抗震機(jī)柜薄弱處的變形和應(yīng)力得到改善進(jìn)而提高其抗震能力。本文旨在為機(jī)柜抗震設(shè)計(jì)、改進(jìn)提供一種有效、便捷的方法，同時(shí)為后續(xù)電子設(shè)備地震試驗(yàn)提供有效的參考數(shù)據(jù)。

機(jī)柜；抗震性能；有限元分析軟件；響應(yīng)譜法；模擬分析；仿真研究

0 引言

以電網(wǎng)自動(dòng)化和工業(yè)控制、繼電保護(hù)及柔性輸電等為代表的智能電網(wǎng)電力二次設(shè)備是集監(jiān)測(cè)、通信、控制等于一體化的高度智能化電力設(shè)備，是保證電網(wǎng)可靠運(yùn)行的神經(jīng)中樞[1]。電子設(shè)備機(jī)柜作為智能化電子設(shè)備的載體，其一般由立柱、橫梁、前后門(mén)、側(cè)板、插箱等組成[2]，同時(shí)要求其具有較高的可靠性。

近年來(lái)，我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，如汶川大地震對(duì)四川電網(wǎng)電力設(shè)施造成重大損壞[3]。因此，提高機(jī)柜的抗震能力，減少地震破壞具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。本文以某工程要求為依托，以實(shí)現(xiàn)其能夠抵抗設(shè)防烈度9度為目標(biāo)，對(duì)機(jī)柜進(jìn)行了抗震性能的研究。

1 結(jié)構(gòu)抗震理論

對(duì)于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，其主要包括靜力法、響應(yīng)譜法、時(shí)程分析法。其中：靜力法假定結(jié)構(gòu)是剛性的，沒(méi)有考慮結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性；響應(yīng)譜法是在靜力學(xué)基礎(chǔ)上的進(jìn)一步發(fā)展，考慮結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性、地基結(jié)構(gòu)的影響，是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)最常用的方法；時(shí)程分析法是將實(shí)際的地震加速度時(shí)程記錄作為動(dòng)載荷直接輸入，其計(jì)算結(jié)果精確，但是對(duì)計(jì)算機(jī)要求極高，計(jì)算時(shí)間久、代價(jià)大，實(shí)際應(yīng)用較少[4]。

響應(yīng)譜表征了地震動(dòng)加速度時(shí)間過(guò)程作用于單自由度彈性體系的最大反應(yīng)(加速度、速度和位移)隨體系的自振特性(周期和阻尼比)變化的函數(shù)關(guān)系[5]。

在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，地震響應(yīng)譜曲線(xiàn)主要由地震影響系數(shù)α及重力加速度g來(lái)確定，其二者的乘積即為地震響應(yīng)譜曲線(xiàn)。因此，地震影響系數(shù)α的確定是關(guān)鍵，本文采用GB 50260—2013《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的地震影響系數(shù)曲線(xiàn)，其曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 地震影響系數(shù)曲線(xiàn)

由圖1所示，地震影響系數(shù)曲線(xiàn)與最大地震影響系數(shù)αmax、斜率調(diào)整系數(shù)η1、阻尼調(diào)整系數(shù)η2、衰減系數(shù)γ及特征周期Tg有關(guān)。其中地震影響系數(shù)αmax根據(jù)工程需要及規(guī)范查表取其值為1，η1，η2，γ的值與阻尼比ζ有關(guān)，本文取鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比ζ為0.05，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)相關(guān)公式得出η1，η2，γ，Tg分別為0.02，1.00，0.90，0.40，最終得到地震影響系數(shù)的曲線(xiàn)公式如下，其將作為后續(xù)地震響應(yīng)譜輸入到ANSYSWorkbench中進(jìn)行抗震計(jì)算。

2 機(jī)柜抗震性能分析

對(duì)于機(jī)柜抗震分析，采用ANSYSWorkbench為平臺(tái)，采用模態(tài)(Modal)分析模塊及響應(yīng)譜(ResponseSpectrum)分析模塊進(jìn)行計(jì)算。模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，響應(yīng)譜分析即響應(yīng)譜法，是模態(tài)分析的延伸，其主要通過(guò)模態(tài)得到的固有頻率和振型計(jì)算結(jié)構(gòu)對(duì)地震或者其他激勵(lì)的響應(yīng)。

2.1 有限元模型的建立

電子機(jī)柜主要由鈑金件構(gòu)成，其尺寸為800mm×600mm×2 200mm，材料為Q235，密度為7 850kg/m3，楊氏模量為2×105MPa，泊松比為0.3；前門(mén)玻璃，密度為2 560kg/m3，楊氏模量為7.2×104MPa，泊松比為0.2。本文中對(duì)幾何模型進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，比如去除圓角，去除不必要構(gòu)件，以減少其計(jì)算量，同時(shí)將機(jī)柜內(nèi)部的機(jī)箱簡(jiǎn)化為質(zhì)量點(diǎn)施加到承載面上，將焊接框架及螺釘連接的構(gòu)件采用綁定約束，對(duì)于鉸鏈則采用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行約束。由于機(jī)柜主要由鈑金件構(gòu)成，其采用實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分質(zhì)量會(huì)很差，所以采用抽中面(Mid-surface)將三維實(shí)體幾何模型轉(zhuǎn)換為殼體單元，有助于提高網(wǎng)格質(zhì)量，同時(shí)減少計(jì)算量。

2.2 框架模態(tài)分析及響應(yīng)譜分析

模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)分析中的一種，其中動(dòng)力學(xué)通用方程為

所以模態(tài)的固有頻率與振型只與質(zhì)量矩陣[M]、結(jié)構(gòu)剛度[K]有關(guān)。

本文分別計(jì)算未帶加強(qiáng)塊的機(jī)柜框架和帶加強(qiáng)塊的機(jī)柜框架的模態(tài)，其二者的區(qū)別為橫梁兩側(cè)是否有三角形加強(qiáng)塊，如圖2所示。然后分別對(duì)底部地腳螺栓固定處的槽口采用固定約束，最終分別得到100 Hz以?xún)?nèi)的共振頻率見(jiàn)表1。

圖2 加強(qiáng)塊位置

振型頻率/Hz框架無(wú)加強(qiáng)塊框架有加強(qiáng)塊113．08513．742234．36535．389339．67439．721457．39757．137559．60659．612660．17459．886764．85963．650868．41967．798978．78678．6131082．95482．5021188．23788．2381291．06490．720

通過(guò)表1可得出，有加強(qiáng)塊機(jī)柜框架與無(wú)加強(qiáng)塊框架相比，其固有頻率相差不大。因此，增加加強(qiáng)塊對(duì)于機(jī)柜框架的模態(tài)幾乎沒(méi)有影響。由于響應(yīng)譜法是以模態(tài)為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算的，由于二者模態(tài)基本相同，其后續(xù)結(jié)果均一致，因此后續(xù)框架分析均是以無(wú)加強(qiáng)塊框架進(jìn)行分析，不再考慮有加強(qiáng)塊框架的分析。

機(jī)柜框架的前三階固有頻率和振型如圖3所示，本文假定前后門(mén)方向?yàn)閄軸，側(cè)門(mén)方向?yàn)閅軸，豎直方向?yàn)閆軸，其前三階振型分別為沿Y軸方向的彎曲、X軸方向的彎曲及沿Z軸方向的扭轉(zhuǎn)。其中第1階與第2階頻率相差較大，在20 Hz左右，說(shuō)明沿X軸方向的結(jié)構(gòu)剛度遠(yuǎn)高于沿Y軸方向的結(jié)構(gòu)剛度，也從側(cè)面證明X軸方向結(jié)構(gòu)剛度已足夠大，因此在其方向上添加加強(qiáng)塊對(duì)結(jié)果影響不大。

圖3 機(jī)柜框架前三階振型

在得到模態(tài)分析結(jié)果之后，將地震影響系數(shù)曲線(xiàn)函數(shù)輸入到ANSYS Workbench。在分析設(shè)置中設(shè)定為單點(diǎn)激勵(lì)，并在加速度激勵(lì)中將邊界條件設(shè)置為All BC support，即所有固定點(diǎn)均受到響應(yīng)譜的激勵(lì)，并分別計(jì)算X軸方向和Y軸方向的變形量和等效應(yīng)力，得到結(jié)果如圖4所示。

圖4 機(jī)柜變形量和應(yīng)力值

圖5 傳統(tǒng)機(jī)柜變形及應(yīng)力

通過(guò)框架分析可以得出，其在X方向響應(yīng)譜激勵(lì)時(shí)，得到的變形量為最大值0.25 mm，應(yīng)力最大值為23.0 MPa。在Y方向響應(yīng)譜激勵(lì)時(shí)，得到的變形量為最大值1.70 mm，應(yīng)力最大值為142 MPa。其中最大變形均發(fā)生在頂部部分，相對(duì)于2 200 mm的高度其變化量很小，最大應(yīng)力值均產(chǎn)生在地腳螺栓固定處，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度235 MPa，能夠滿(mǎn)足抗9級(jí)烈度地震的要求。

2.3 機(jī)柜模態(tài)分析及響應(yīng)譜分析

傳統(tǒng)機(jī)柜的前后門(mén)是由上下門(mén)軸進(jìn)行連接的，其側(cè)門(mén)下部通過(guò)定位銷(xiāo)連接，上部通過(guò)兩個(gè)翻板鎖連接。對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析后，其前18階模態(tài)結(jié)果見(jiàn)表2，共振頻率較低且大部分均為前后門(mén)、側(cè)門(mén)、頂蓋的局部共振，第18階模態(tài)為整體共振，共振頻率為30 Hz。

與框架響應(yīng)譜分析相同，其分析結(jié)果如圖5所示，其在X方向響應(yīng)譜激勵(lì)時(shí)，得到的變形量為最大值4.0 mm，應(yīng)力最大值為210.0 MPa。在Y方向響應(yīng)譜激勵(lì)時(shí)，得到的變形量為最大值3.5 mm，應(yīng)力最大值為58.0 MPa。其中，最大變形分別發(fā)生在側(cè)門(mén)和前后門(mén)處，最大應(yīng)力值均產(chǎn)生在鎖桿連接處。由于鎖桿與框架之間簡(jiǎn)化為綁定約束，其實(shí)際應(yīng)力值會(huì)比計(jì)算值偏小，此處僅做參考。

針對(duì)以上分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)前門(mén)、后門(mén)、側(cè)門(mén)部分變形較大，因此本文對(duì)前后門(mén)改為鉸鏈固定，同時(shí)增加連接點(diǎn)數(shù)量；側(cè)門(mén)連接改為螺栓連接，并增加固定點(diǎn)，如圖6所示。改進(jìn)后的模態(tài)結(jié)果見(jiàn)表3，其中20 Hz以下的前后門(mén)、側(cè)門(mén)的局部共振大部分得到抑制，其第1階固有頻率也由9.9 Hz提高到12.2 Hz，整體共振頻率為18階，也稍有提高。

表2 傳統(tǒng)機(jī)柜模態(tài)仿真結(jié)果

其響應(yīng)譜分析相同分析結(jié)果如圖7所示，其在X方向響應(yīng)譜激勵(lì)時(shí)，得到的變形量由最大值4.0 mm減小為2.5 mm，應(yīng)力最大值由210.0 MPa減小為164.0 MPa。在Y方向響應(yīng)譜激勵(lì)時(shí)，變形量為最大值由3.5 mm減小為0.9 mm，應(yīng)力最大值由58.0 MPa減小為50.0 MPa，變化不明顯。其中，最大變形和最大應(yīng)力值發(fā)生位置與傳統(tǒng)型相同。通過(guò)增加連接點(diǎn)數(shù)量改進(jìn)之后，可以得出機(jī)柜的前后門(mén)、側(cè)門(mén)的變形量、應(yīng)力較改進(jìn)前進(jìn)一步減小，提高了抗震性能。

圖6 改進(jìn)型機(jī)柜前門(mén)和側(cè)門(mén)

振型頻率/Hz振型頻率/Hz112．2151031．075218．4561132．784321．541233．274424．7541336．185525．5321436．227625．8881536．663727．6011640．658827．6751740．992930．6671841．058

圖7 改進(jìn)型機(jī)柜變形及應(yīng)力

3 結(jié)論

本文采用ANSYS Workbench對(duì)二次機(jī)柜進(jìn)行了模態(tài)分析及響應(yīng)譜分析以驗(yàn)證其抗震性能。通過(guò)仿真得到以下結(jié)論：(1)框架側(cè)橫梁處安裝加強(qiáng)塊對(duì)框架模態(tài)和抗震性能的提高無(wú)顯著影響；(2)在前門(mén)、后門(mén)、側(cè)門(mén)部分增加連接點(diǎn)，有助于其固有頻率的提高，改善其抗震性能。

本文通過(guò)響應(yīng)譜法對(duì)機(jī)柜進(jìn)行仿真，為機(jī)柜抗震設(shè)計(jì)提供了一種便捷方法，同時(shí)為后續(xù)機(jī)柜抗震試驗(yàn)提供了數(shù)據(jù)參考。

[1]祝德春,韓德斌,周桂生,等.基于模態(tài)試驗(yàn)與有限元的電力機(jī)柜動(dòng)力學(xué)分析[J].城市建設(shè)理論研究：電子版,2013(35):58-61.

[2]何小兵，張赤斌，顏肖龍.車(chē)載電子機(jī)柜的動(dòng)力學(xué)分析[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2006(1):46-48.

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[5]袁一凡，田啟文.工程地震學(xué)[M].北京：地震出版社，2012.

(本文責(zé)編：齊琳)

2017-04-11；

2017-05-10

TN

A

1674-1951(2017)07-0011-04

代廷振(1989—)，男，山東濟(jì)寧人，助理工程師，從事電力系統(tǒng)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、研究、開(kāi)發(fā)方面的工作(E-mail:tingzhen-dai@sac-china.com)。

顧錦書(shū)(1988—)，男，江蘇鹽城人，助理工程師，從事電力系統(tǒng)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、研究、開(kāi)發(fā)方面的工作。

高學(xué)斌(1988—)，男，江蘇南京人，助理工程師，從事電力系統(tǒng)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、研究、開(kāi)發(fā)方面的工作。