變頻器機柜振動特性有限元分析和試驗驗證

朱大巍 秦建忠 李杰

摘要：

根據電子設備結構振動試驗標準的要求，利用ANSYS建立變頻器機柜的有限元模型，獲得結構的模態頻率和沖擊載荷下的結構響應，并與試驗結果對比，驗證變頻器機柜有限元模型的可靠性。分析變頻器機柜的振動特性，結果表明：變頻器機柜頂部減振器安裝位置受到的沖擊能量較大，機柜內部的沖擊能量較小，機柜內設備可得到有效防護。

關鍵詞：

變頻器機柜； 沖擊響應； ANSYS； 有限元； 振動特性

中圖分類號： U665

文獻標志碼： B

Finite element analysis and its test verification on

vibration characteristics of converter cabinet

ZHU Dawei1， QIN Jianzhong2， LI Jie1

（

1. Shanghai Branch， Tianjin Aerospace Reliability Technology Co.， Ltd.， Shanghai 201199， China；

2. KTK Group Co.， Ltd.， Changzhou 213000， Jiangsu， China）

Abstract：

According to the vibration test standard of the electronic equipment structure， a finite element model of converter cabinet is built by ANSYS. The modal frequency of structure and the structural response under shock loading are obtained. Compared with the test results， the reliability of finite element model of converter cabinet is verified. The vibration characteristics of converter cabinet are analyzed. The results show that there is larger shock energy on the top of the inverter cabinet and smaller inside. The equipment in the cabinet can be effectively protected.

Key words：

converter cabinet； shock response； ANSYS； finite element； vibration characteristic

收稿日期： 2017-11-07

修回日期： 2018-01-21

作者簡介：

朱大巍（1985—），男，江蘇宿遷人，工程師，研究方向為結構振動及噪聲，（E-mail）zhudw@relialab.com

0 引 言

變頻器是船舶的重要設備之一，其結構的穩定性直接影響船舶動力系統的可靠性。[1]在變頻器設計階段，需要建立準確的數值模型，分析其主結構的振動沖擊特性。

近年來，計算機硬件技術不斷進步，大型商業有限元軟件功能日益完善，計算機仿真技術在研究產品振動特性和沖擊特性方面表現出極大的優勢，在設計過程中得到越來越多的應用。孟慶鵬等[2]基于艦載機柜抗沖擊設計要求，進行機柜抗沖擊仿真分析，校核機柜的結構強度。康文利等[3]基于HyperWorks研究機柜底部安裝孔位處安裝剛度對機柜抗震性能的影響。于坤鵬等[4]基于Abaqus分析過載、沖擊、隨機振動等條件下機柜的剛度和強度并進行優化設計。變頻器的實際結構較為復雜，部件連接方式多樣，若結構簡化或連接方式處理不當，則會影響有限元計算結果的準確性，因此有必要用試驗結果對有限元分析進行校核和驗證。準確的有限元模型可以用于指導類似結構的動力學特性分析、結構應力強度評估和結構優化設計。

本文基于變頻器機柜的三維CAD模型，采用HyperMesh建立其有限元模型，導入ANSYS中進行模態分析和沖擊響應計算，并與試驗結果對比，驗證有限元結果的準確性。

1 變頻器機柜結構

變頻器機柜安裝示意見圖1。機柜支撐框架主要由槽鋼焊接而成，電子設備通過螺栓連接到安裝支座上，安裝支座與支撐框架通過焊接方式連接，支撐框架外部通過螺栓連接柜體面板。變頻器機柜通過減振器連接到船體上。

圖 1 變頻器機柜安裝示意

2 變頻器機柜有限元模型

對于變頻器結構，除起承載作用的支撐框架外，還有很多用于安裝、封閉等其他用途的構件。由于這些構件與支撐框架的連接是點連接方式，對結構的剛度影響較小，因此在力學分析中，通常要求只對結構的主要支撐構件進行分析而不計其他構件的作用。在有限元模型中，采用殼單元模擬支撐結構，質量單元模擬設備質量，彈簧單元模擬減振器。設備和減振器與支撐結構的連接采用剛性連接方式。變頻器支撐框架有限元模型見圖2。

模型共有17萬個單元、15萬個節點。模態計算時，約束減振器與安裝基礎連接點所有自由度。采用大質量法[5]進行沖擊計算，約束減振器與安裝基礎連接點非沖擊振動方向所有自由度，在沖擊方向上施加沖擊力載荷。支撐結構的材料為Q345E，材料參數見表1。減振器的動剛度采用生產廠家提供的參數。

圖 2 變頻器支撐框架有限元模型

表 1 Q345E材料參數

3 變頻器機柜試驗

3.1 掃頻試驗

將變頻器機柜通過工裝安裝在振動臺上，在頂部減振器附近放置加速度傳感器。通過控制儀控制激勵輸入，測得振動幅值，得到變頻器的共振頻率。掃頻試驗見圖3。

圖 3 掃頻試驗

3.2 沖擊試驗

根據GJB 150.18—1986《軍用設備環境試驗方法——沖擊試驗》，裝有試件的過渡安裝架通過螺栓剛性安裝在中型沖擊機支撐槽鋼上進行沖擊試驗（見圖4）。變頻器機柜上共布置3個加速度測點，分別位于支撐結構靠近底部減振器附近、水管上和支撐結構頂部減振器附近。

圖 4 沖擊試驗

4 試驗與仿真結果對比

4.1 頻率對比

計算固有頻率和掃頻試驗得到的共振頻率結果見表2，計算誤差在可接受范圍內。產生誤差的主要原因有以下2個方面：（1） 模型簡化，焊接部位采用共節點的方式，與實際情況略有不同；（2） 共振頻率受到掃頻試驗的影響，得到的結果與實際頻率有微小偏差。

表 2 計算固有頻率和試驗共振頻率

4.2 沖擊響應計算和對比

由于沖擊響應的計算結果需要與試驗測得的數據進行對比，因此采用實際測得的加速度作為激勵輸入進行沖擊計算。

沖擊輸入波形見圖5，將其作為激勵加速度施加到有限元模型上，計算加速度傳感器測點的加速度響應。根據瑞利阻尼公式[6-7]可得

α=4×π×f1×f2×ηf1+f2×0.476 6

（1）

β=ηπ×f1+f2=2.07×10-4

（2）

式中：α和β分別為質量比例因數和剛度比例因數；f1和f2分別為第1和2階固有頻率，分別取7.55和7.63 Hz；η為阻尼比，根據沖擊響應波形和仿真響應波形，取0.01。

測點1～3的試驗與計算加速度對比分別見圖6～8。由此可見，加速度的試驗值與計算值的變化規律基本相同，只是在數值上有所差異，且這種差異在工程上是可以接受的。在某些時間區域上，試驗值和計算值的變化不相同，可能是機柜內的設備與假設不符，并不具備足夠剛度導致的，從總體來看，認為可將機柜內部設備簡化為質量點。

圖 5 沖擊輸入波形

圖 6 測點1的試驗與計算加速度對比

圖 7 測點2的試驗與計算加速度對比

圖 8 測點3的試驗與計算加速度對比

5 機柜沖擊特性

機柜沖擊最大加速度見圖9。在31和168 ms時，機柜沖擊速度達到最大值，對應的加速度云圖分別見圖10和11。變頻器機柜沖擊能量集中在頂部減振器與機柜框架的連接處，機柜內部的沖擊能量較小，證明變頻器機柜的結構設計合理，能有效保護內部設備。

圖 9 機柜沖擊最大加速度

圖 10 31 ms時機柜加速度云圖

圖 11 168 ms時機柜加速度云圖

6 結束語

基于ANSYS建立船舶所用某型號變頻器機柜有限元模型，進行模態分析和沖擊載荷下的結構響應分析，并與試驗測試共振頻率和沖擊響應進行對比，結果表明：（1） 建立的有限元模型能充分反映變頻器機柜的振動及沖擊特性；（2） 有限元的模態計算和沖擊響應結果具有較好的準確性，能夠應用于工程實際中。基于該有限元模型分析沖擊載荷下機柜的振動特性，分析結果表明：該機柜可以有效保護內部設備。

參考文獻：

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