電氣柜疲勞強(qiáng)度校核及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

朱大巍，崔修斌，李杰

（天津航天瑞萊科技有限公司上海分部，上海 201199）

引言

目前，汽車(chē)保有量的不斷增加帶來(lái)諸多的環(huán)境和能源挑戰(zhàn)，各類(lèi)型的電動(dòng)汽車(chē)是實(shí)現(xiàn)清潔汽車(chē)的解決方案之一，在全世界范圍內(nèi)得到推廣和應(yīng)用[1]。電氣柜是對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電的移動(dòng)充電車(chē)的重要設(shè)備，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性直接影響移動(dòng)充電車(chē)的充電性能以及使用壽命。因此，需要對(duì)電氣柜進(jìn)行振動(dòng)耐久性試驗(yàn)，當(dāng)發(fā)生影響電氣柜性能的結(jié)構(gòu)變形和損傷時(shí)，就要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文基于電氣柜的三維幾何模型，使用Hypermesh建立有限元模型，導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行模態(tài)和隨機(jī)振動(dòng)計(jì)算[2,3]，分析電氣柜的振動(dòng)特性及結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度，并對(duì)減振器及其支座結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 電氣柜結(jié)構(gòu)示意圖

1 問(wèn)題描述

電氣柜結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。電氣柜主要承載結(jié)構(gòu)為冷軋鋼板，冷軋鋼板之間通過(guò)焊接連在一起，電子部件通過(guò)螺栓連接到承載結(jié)構(gòu)。電氣柜通過(guò)減震器安裝到安裝支座上，支座通過(guò)螺栓安裝到車(chē)體或振動(dòng)臺(tái)上。封蓋和門(mén)通過(guò)螺栓和軸承安裝到承載結(jié)構(gòu)上。在振動(dòng)耐久性試驗(yàn)中電氣柜出現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題：①減振器安裝孔附件結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞斷裂；②某些設(shè)備的振動(dòng)量級(jí)較大影響設(shè)備使用。

2 有限元分析

2.1 有限元模型建立

有限元模型的簡(jiǎn)化、網(wǎng)格劃分方式、邊界條件都影響分析結(jié)果準(zhǔn)確性。按照仿真經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于電氣柜類(lèi)結(jié)構(gòu)，除了起承載作用的支撐框架外，還有許多電氣設(shè)備。這些電氣設(shè)備與支撐結(jié)構(gòu)之間是螺栓連接，剛度相對(duì)較大，主要起到附加質(zhì)量作用。故而在力學(xué)分析中，將電氣功能設(shè)備作為質(zhì)量點(diǎn)處理。電氣柜有限元模型如圖2所示。在有限元模型中，采用殼單元模擬支撐結(jié)構(gòu)與柜門(mén)結(jié)構(gòu)，電氣設(shè)備采用質(zhì)量單元模擬，減振器采用彈簧-阻尼單元模擬，焊接采用共節(jié)點(diǎn)方式。電氣設(shè)備及減振器與支撐結(jié)構(gòu)的連接采用剛性連接方式。

有限元模型共有單元數(shù)約80萬(wàn)，節(jié)點(diǎn)數(shù)約80萬(wàn)。模態(tài)及隨機(jī)振動(dòng)計(jì)算時(shí)，約束底座安裝孔處所有自由度。網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2.2 材料參數(shù)

電氣柜主要承載結(jié)構(gòu)為冷軋鋼板，冷軋鋼板的材料類(lèi)型為Q235，功能類(lèi)結(jié)構(gòu)為鍍鋁鋅板，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。減震器參數(shù)見(jiàn)表2。Q235的S-N曲線見(jiàn)圖3所示[4]，選擇50 %概率進(jìn)行壽命評(píng)估。

2.3 約束信息

電氣柜通過(guò)螺栓安裝到工裝上，螺栓安裝位置如圖4所示。模態(tài)計(jì)算和隨機(jī)振動(dòng)分析時(shí)，螺栓安裝孔附件所有自由度全部約束。

2.4 載荷信息

電氣柜安裝于工裝上，工裝安裝于振動(dòng)臺(tái)上。隨機(jī)激勵(lì)載荷見(jiàn)表3和圖5[5]，加速度均方根等于57.9 m/s2。整體結(jié)構(gòu)阻尼比取0.02。

圖2 電氣柜網(wǎng)格劃分示意圖

表1 材料屬性

表2 減震器參數(shù)

圖3 Q235A級(jí)（F）的P-S-N曲線

2.5 結(jié)果分析及強(qiáng)度校核

2.5.1 模態(tài)結(jié)果

電氣柜前3階模態(tài)振型見(jiàn)圖6～8，由圖可見(jiàn)，電氣柜前3階為整體振動(dòng)。第1階模態(tài)振型垂向振動(dòng)時(shí)，中間兩個(gè)減震器與安裝支座發(fā)生明顯振動(dòng)。

圖4 約束位置

表3 PSD數(shù)值與頻率

圖5 PSD載荷譜

圖6 第1階模態(tài)振型

圖7 第2階模態(tài)振型

圖8 第3階模態(tài)振型

2.5.2 振動(dòng)傳遞結(jié)果

圖9～11是位于四角和中間的兩個(gè)減震器三個(gè)方向的傳遞率曲線，傳遞率等于減震器上部加速度功率譜與下部加速度功率譜之間的比值。由圖可見(jiàn)，垂向振動(dòng)時(shí)，中部減震器減震效果較差，角點(diǎn)減震器的低頻區(qū)域放大作用比較明顯；橫向振動(dòng)時(shí)，中部減震器和角點(diǎn)處減震器的共振頻率不一致，這是由于兩個(gè)減震器底部約束不同造成的。另外，需要注意的是，減震器與電氣柜組成的系統(tǒng)固有頻率在激勵(lì)頻率范圍內(nèi)，這一點(diǎn)和以往減震器使用經(jīng)驗(yàn)不同。

圖9 垂向減震器傳遞率曲線

圖10 縱向減震器傳遞率曲線

圖11 橫向減震器傳遞率曲線

2.5.3 強(qiáng)度校核結(jié)果

圖12是垂向隨機(jī)載荷下減震器安裝座的1 σ應(yīng)力云圖，由圖可見(jiàn)，電氣柜四個(gè)角點(diǎn)的減震器安裝座應(yīng)力較大，中間兩個(gè)減震器安裝座應(yīng)力較小。這與模態(tài)分析的結(jié)果一致。減震器安裝座的1 σ最大應(yīng)力為81.9 MPa，則相應(yīng)的2 σ應(yīng)力為163.8 MPa，3 σ應(yīng)力為245.7 MPa。根據(jù)高斯分區(qū)方法[6]，3 σ應(yīng)力對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)為4.33 %。試驗(yàn)中電氣柜經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)近似的等于1.152×108，則3 σ應(yīng)力應(yīng)經(jīng)歷5×106。從圖3可知，垂向振動(dòng)3 σ應(yīng)力大于材料的疲勞極限，對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)2×105，小于試驗(yàn)經(jīng)歷的疲勞循環(huán)次數(shù)。因此，該方向上結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度難以滿足要求。

圖12 垂向減震器安裝座1 σ應(yīng)力云圖

圖13 縱向減震器安裝座1 σ應(yīng)力云圖

圖13 是縱向隨機(jī)載荷下減震器安裝座的1 σ應(yīng)力云圖，由圖可見(jiàn)，電氣柜六個(gè)減震器安裝座應(yīng)力較為均勻。這與模態(tài)分析的結(jié)果一致。減震器安裝座的1 σ最大應(yīng)力為28 MPa，則相應(yīng)的2 σ應(yīng)力為56 MPa，3 σ應(yīng)力為84 MPa。從圖3可知，垂向振動(dòng)3 σ應(yīng)力小于材料的疲勞極限，對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)應(yīng)為無(wú)限大。因此，該方向上結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度可以滿足要求。

圖14是橫向隨機(jī)載荷下減震器安裝座的1 σ應(yīng)力云圖，由圖可見(jiàn)，電氣柜六個(gè)減震器安裝座應(yīng)力較為均勻。這與模態(tài)分析的結(jié)果一致。減震器安裝座的1 σ最大應(yīng)力為18.5 MPa，則相應(yīng)的2 σ應(yīng)力為37 MPa，3 σ應(yīng)力為55.5 MPa。

從圖3可知，垂向振動(dòng)3 σ應(yīng)力小于材料的疲勞極限，對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)應(yīng)為無(wú)限大。因此，該方向上結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度可以滿足要求。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 原因分析

根據(jù)以上分析可知，電氣柜的疲勞壽命不符合設(shè)計(jì)要求，表明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。原因如下： ①垂向振動(dòng)時(shí)，中部減震器沒(méi)有預(yù)期的減震效果，只有四個(gè)角點(diǎn)的減震器起到減震作用；②橫向振動(dòng)時(shí)，減振器支座對(duì)減振器的約束剛度不一致，導(dǎo)致減振器效果弱化；③減振器在低頻區(qū)域出現(xiàn)共振，減振器選型出現(xiàn)偏差。

3.2 優(yōu)化方案及結(jié)果評(píng)價(jià)

針對(duì)電氣柜應(yīng)力較大現(xiàn)象，現(xiàn)對(duì)其結(jié)構(gòu)做以下優(yōu)化：①更換新型減振器，確保激勵(lì)頻率范圍為減振器振動(dòng)衰減頻率范圍；②增加減振器安裝支座剛度，減少對(duì)減振器低頻性能的影響；③整體加工減震器安裝支座，避免不連續(xù)不光滑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

根據(jù)以上優(yōu)化方案求解，優(yōu)化后的結(jié)果如下所示。圖15是垂向隨機(jī)載荷下減震器安裝座的1 σ應(yīng)力云圖，由圖可見(jiàn)，減震器安裝座應(yīng)力較大。減震器安裝座的1 σ最大應(yīng)力為50.3 MPa，則相應(yīng)的2 σ應(yīng)力為100.6 MPa，3 σ應(yīng)力為150.9 MPa。根據(jù)高斯分區(qū)方法，3 σ應(yīng)力對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)為4.33 %。試驗(yàn)中電氣柜經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)近似的等于1.152×108，則3 σ應(yīng)力應(yīng)經(jīng)歷5×106。

圖14 橫向減震器安裝座1 σ應(yīng)力云圖

圖15 垂向減震器安裝座1σ應(yīng)力云圖

從圖3可知，垂向振動(dòng)3 σ應(yīng)力小于材料的疲勞極限，對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)為無(wú)限，大于試驗(yàn)經(jīng)歷的疲勞循環(huán)次數(shù)。因此，該方向上結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度可以滿足要求。

4 結(jié)論

根據(jù)電氣柜振動(dòng)特性有限元分析，可以得到如下結(jié)論：

1）有限元分析結(jié)果表明：最大應(yīng)力出現(xiàn)在減振器安裝座附近，與實(shí)際裂紋破壞位置基本吻合。振動(dòng)特性及結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度校核表明：減振器及安裝支座剛度不能滿足設(shè)計(jì)要求。

2）優(yōu)化方案結(jié)果表明：更換新型減振器及改進(jìn)安裝制作設(shè)計(jì)后能夠降低局部應(yīng)力集中，很好解決了電氣柜在振動(dòng)耐久性試驗(yàn)中出現(xiàn)裂紋問(wèn)題。