船舶綜合電力系統抗沖擊性能研究現狀

丁先威，趙建華,計 晨，馮麟涵

(1.海軍工程大學 動力工程學院， 湖北 武漢 400033； 2.中國人民解放軍92537部隊， 北京 100161)

隨著新型大功率電力電子器件的快速發展、電能變換和區域供配電等理論與技術不斷成熟，電力推進、新型定向能(激光、離子束、微波束)武器等概念不斷被提出，乃至已經或即將進入推廣應用階段。歐美強國已引領新一代船舶技術革命向全電氣化發展，并將綜合電力技術應用于新一代艦艇。船舶綜合電力系統(Integrated Power system，IPS)具備以下優勢[1-3]：① 隔斷主要機械振動噪聲，增強隱身性；② 功率密度高，布置靈活，節約空間；③ 降低燃油裝載量及補給需求，提高續航能力；④ 為高能武器上艦提供平臺，提高戰斗力。歐美強國已引領新一代船舶技術革命向全電氣化發展，并將綜合電力技術應用于新一代艦艇。目前，我國在船舶電力系統的理論研究與技術積累，尤其是在電力集成技術與發電模塊技術方面的領先優勢，為船舶電氣化趕超西方發達國家先進技術奠定了基礎[4]。艦船必須考慮抗沖擊性能，而船舶綜合電力系統使用了很多新型電力電子元器件和電氣設備，亟需對其抗沖擊性能進行檢驗與考核。

1 船舶綜合電力系統的組成及其抗沖擊特性分析

船舶電力系統可以簡單分為發電、配電、輸電、用電4個部分，美國的綜合電力系統如圖1所示，細分為7個部分：發電、儲能、變電、推進電力、配電、電力控制管理及平臺負載，并相對應地對這7個部分進行模塊化開發與設計。涉及的關鍵技術主要有：高功率密度的交流或直流發電模塊技術、智能化管理的環形電網區域輸配電及監控管理技術、電力推進(永磁或電勵磁)電動機及變頻調速技術、大容量電能的靜止變換技術、獨立電力系統的電磁兼容技術、電力集成技術[5]。

圖1 綜合電力系統組成框圖

從硬件組成上來看，艦船綜合電力系統主要包括：電容、電感、印刷電路板、IGBT模塊等電力電子元器件；發電機組和蓄電池等電源裝置；母線、空氣開關、接觸器、熔斷器、繼電器、斷路器、整流器、變壓器、逆變器等構成電網的電氣設備及各種用電負載。為滿足綜合電力系統嚴格的技術性能指標要求，這些電力電子元器件和電氣設備，大多采用了新的結構設計、新型材料、封裝技術、連接技術，并朝著自動化、智能化、高功率密度、高度集成等方向發展[5-6]。因此，對艦船綜合電力系統進行抗沖擊性能研究，必須先站在系統的高度，對系統的硬件構成要素進行分門別類的梳理；必須分別根據各硬件的結構、材料、功能等特性從不同的角度、采用相應的方法。

2 船舶綜合電力系統抗沖擊研究現狀

與傳統機械設備相比，綜合電力系統所涉及的電力電子元器件、電氣設備更多，其功能的實現往往涉及力、電、熱、磁等許多交叉學科，因而沖擊環境下其失效模式、機理更加復雜，且國外相關具體的研究文獻可查閱到的很少。

2.1 電力電子元器件的抗沖擊性能研究

對于電力電子元器件，焊點與封裝、連接方式是影響其抗沖擊性能的重要因素。對于其抗沖擊性能，主要從3個方面進行，一是從微觀角度跌落試驗探討了用于安裝在母板上的細間距球柵陣列(BGA)部件的焊點材料Sn-Ag-Cu(SAC)，其不同的銀含量對抗沖擊性能的影響[7-8]。二是將BGA組件分別簡化成彈簧—質量塊、梁和平板3種模型，分析其沖擊載荷下的動力學特性，并采用有限元法與解析法相結合的方法研究其結構參數和材料特性等因素對焊點應力的影響，并采用理論分析、有限元仿真和試驗相結合的方法，對芯片級尺寸封裝，進行了模態分析，研究其沖擊載荷下的動態響應以及焊料微互聯的斷裂特性、失效模式與機理[9-10]。三是對系統級封裝(SIP)的制造工藝、引線連接、可靠性和失效分析技術進行了研究[11-12]。此外，文獻[13]還對一種海底適配的電氣連接器進行水下爆炸沖擊試驗，重點介紹了對水下爆炸測試的理解、流程、監測、驗收標準等試驗方面的注意點。

對于印刷電路板本身抗沖擊性能的研究，主要有通過對個人電腦主板的簡化建模、沖擊響應譜(SRS)和隱式直接積分的運用，并在主板上進行了編程沖擊脈沖和跌落臺測試，以驗證和理解有限元模擬的極限。結果表明，主板上多個位置的預測峰值響應與沖擊載荷期間的測量結果吻合良好，SRS方法顯著預測了主板的響應[14]。

絕緣柵雙極晶體管IGBT具有工作頻率高、處理功率大和驅動簡單等諸多優點，是十分重要和有代表性的功率元器件,其失效或故障往往會造成嚴重事故和重大損失。目前其失效研究主要在電學和熱學方面[15-17]。在對功率IGBT的若干失效問題研究中，主要關注在高結溫的情況下，外部應力沖擊對功率器件的影響[18]。

2.2 典型機電設備的抗沖擊性能研究

對于發電機組抗沖擊性能的研究，一是建立單自由度機組模型，分析其重點部位受力、速度、加速度情況，并對動力學分析法的優缺點及適用條件進行總結[19]。二是對建立浮法-原動機-發電機系統進行整體有限元建模，用彈性體模擬原動機和發電機，進行抗沖擊性能直接分析，并對比簡化塊體系統和電機系統的兩步分析法，指出其常導致嚴重欠分析[20]。

對于斷路器抗沖擊性能研究，主要有關于考核試驗安裝方向選擇中最嚴酷安裝狀態的分析選擇過程，艦用框架斷路器抗沖擊動力學仿真建模以及抗沖擊和防回彈設計等問題[21-24]。

在對變壓器、簧片式觸電開關的研究中，目前主要通過限元建模、模態分析進行，如：利用ANSYS對某艦用變壓器進行了結構模態分析，通過抗沖擊載荷分析找出其在設定的100ms等效沖擊載荷下，底座與槽鋼連接處，繞組與線圈導線接觸部位出現最大應力[25]；通過艦艇電氣設備中簧片式觸電開關沖擊響應，指出了不同沖擊頻率、載荷對簧片根部應力的影響，其中高頻沖擊載荷易引發誘發劇烈顫振而斷裂，低頻沖擊易使簧片根部應力過大而變形[26]。

此外，文獻[27]進行了分配電箱沖擊試驗與數值仿真，總結了分配電箱的抗沖擊規律，并分析箱體的三向加速度與試驗相比均略小于試驗結果的原因：箱體簡化建模未考慮螺栓連接和減振器的非線性影響。

以上研究主要存在以下不足：① 有限元的建模、模態分析只考慮了設備結構上的問題，電氣設備實際使用過程中沖擊對電、磁等功能的影響無法分析；② 采用的沖擊條件比較簡單，無法模擬船舶真實遇到的大型系統的環境適應性平臺的環境條件與其安裝環境平臺的真實嚴酷度值[28]；③ 以定性分析為主找出了一些影響因素和薄弱環節，并未給出精確的閾值或者至少在某一范圍內電氣設備或者元器件是抗沖擊的。

2.3 系統層面的抗沖擊性能研究

對于系統所涉及的機箱電力電子設備、元器件，根據以往對電子設備大量的故障和失效統計證明：約15%的故障與振動與沖擊相關。隨著電子產品應用越來越廣泛，運載速度越來越高，因振動與沖擊問題造成的故障和失效比例會越來越高，特別是在大型系統工程、大型機柜級電子設備上更明顯[29]。

對整個船舶電力系統的抗沖擊性能研究主要從生命力、可靠性角度，綜合運用層次分析法、熵權法、蒙卡特洛法、損傷樹法等統計與概率論和模糊數學理論去建立函數模型[30-35]，有一定的合理性與可行性，主要存在兩方面問題：① 函數模型較為簡單，對復雜的大型機柜、電力系統模擬不一定正確，也缺乏大量數據去驗證；② 由于所涉及的電力電子設備、元器件眾多，缺乏對每個設備特性的了解，所假定的參數不一定準確。

3 船舶綜合電力系統抗沖擊性能考核與評價的思考

目前，美國的MIL—STD—901，德國的BV0430—85，我國的GJB150A—2009都對設備的抗沖擊性能考核的基本內容、方法、注意點進行相關規定，而對近年來涉及船舶綜合電力系統而快速發展的新型電力電子元器件和電氣設備的相關標準細則等尚需補充完善。

針對目前的船舶綜合電力系統抗沖擊研究現狀，對部分元器件、設備，結構可以采取經驗估算法、仿真模擬、理論計算進行分析；對復雜和重要的元器件和電力電子設備必須采取沖擊試驗進行檢驗,并注意以下5點：① 要檢驗元器件、電力電子設備本身的抗沖擊水平；② 要強調正常工作狀態時(通電)抗沖擊性能；③ 要考慮元器件、設備在整個系統中特別是與連接器及互相連接時的電性能指標耦合關系；④ 不僅關注元器件、設備破壞、通斷與否，對電能質量諸如頻率、波形等更多更復雜的電氣特性也要納入抗沖擊性能考核范圍；⑤ 運用無損檢測手段，如超聲波、電鏡、紅外成像技術對高度集成、封裝的元器件和電氣設備進行檢測，以發現諸如內部散熱層細微變形、裂紋這類損壞隱患。

4 結論

船舶綜合電力系統抗沖擊性能研究是一個基礎性、系統性和長期性工程，涉及電、熱、力、材料、封裝等交叉學科，必須站在整個系統層面，對組成系統的硬件要素按照各自的結構、材料、功能和電氣特性分別進行檢驗與考核。要注意通過抗沖擊試驗摸清重要電力電子元器件、電氣設備等的薄弱環節與沖擊閾值或至少某一安全范圍；試驗要盡量反映真實的環境平臺，不僅關注結構上的破壞，也要考慮對其功能、電氣性能的影響；對于采用新技術的電氣設備以及快速發展的電力電子元器件其抗沖擊性能研究也要及時跟進。

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