中壓交流真空斷路器均壓環抗沖擊性能仿真分析

黃 鐳，任 萍，涂 煜

（1. 船舶綜合電力技術重點實驗室，武漢 430064; 2. 武漢長海電氣科技開發有限公司，武漢 430000;）

0 引言

抗沖擊性能是船舶機電設備的一項重要考核項目，用以評估設備是否具備戰時工作可靠性。其考核方法一般分為實際沖擊試驗和數值仿真分析兩種，其中，實際沖擊試驗方法較為可靠，但存在試驗設備體積受限、試驗成本高等問題，而數值仿真方法更加靈活便捷?；趯嵈圃囼灁祿姆e累研究，船舶機電設備的抗沖擊設計理論方法逐漸從靜態發展到動態，從線性趨向于非線性。目前，常用加載頻域沖擊譜或時歷載荷曲線對設備抗沖擊性能進行研究。頻域載荷的動力學設計分析法能夠得到設備應力峰值分布情況[1-2]，但該方法忽略了設備的非線性效應；時域載荷考慮了設備的非線性效應，可以得到設備結構在沖擊載荷作用下各個時刻的瞬態響應，但對計算模型要求較高[3～4]。

本文采用時域沖擊載荷研究設備部件的抗沖擊性能，通過數值仿真方法對設備模型進行仿真分析，確定設備的瞬態響應特性，并提出改進結構的方法，驗證改進后結構的合理性。

1 有限元分析

1.1 有限元模型建立

斷路器樣機均壓環采用螺栓連接方式安裝在絕緣子一側，對均壓環固定螺孔周圍布置映射面模擬螺栓固定情況，并設置材料如表1所示。

表1 材料參數表

模型的網格劃分主要通過控制網格的尺寸和類型來實現。網格尺寸方面，進行結構動力學分析的有限元模型網格要求盡可能趨于均勻分布；網格類型方面，六面體網格的計算誤差小于四面體或五面體，且計算效率更高，節點數更少，因此在網格劃分過程中首選六面體單元進行劃分。對網格總體質量的評估選用Mesh Quality進行評估，對于結構分析，Mesh Quality大于50%即可進行計算，本模型Mesh Quality為85%，滿足要求網格劃分后，整個有限元模型節點總數為26560，單元總數為15574。

圖1 均壓環有限元模型

1.2 模態分析

模態分析是一種用來確定結構動力特性的技術，后續結構的仿真分析在此基礎上進行。根據模態分析理論，求解模型固有特性。模型前6階固有頻率如表2所示。

表2 固有頻率

2 瞬態響應分析

2.1 沖擊載荷

依據GJB 1060.1-91[5]和BV 043-85[6]中公式，計算沖擊載荷時歷曲線的各項參數。

表1 輸入設計加速度表

其中各項參數如表4所示，沖擊載荷圖如圖2所示：

圖2 時歷沖擊載荷曲線

表4 正負三角波參數表

2.2 瞬態響應分析

2.2.1 結構瞬態響應分析

將三向沖擊載荷分別加載于均壓環，均壓環各向載荷作用下應力分布情況如圖3所示。

圖3 三向沖擊載荷作用下均壓環峰值應力分布云圖

由圖3可以看出，該固定結構的均壓環在橫向和垂向載荷作用下的響應結果較為劇烈。且應力集中區域主要分布在環體與安裝板焊接位置。依據GJB1060.1-91[3]許用應力標準章節的規定，允許微小永久變形彈性設計設備，應力不超過實際屈服強度。由于均壓環的微小永久變形不會影響斷路器電氣性能，因此定義這類部件為允許永久變形部件，其許用應力為實際屈服強度。

其中，σy為材料屈服強度；σb為材料極限強度；G值選用0.5。

定義無量綱系數n，描述沖擊載荷作用下考核部位是否失效。

其中，σvon-mise為考核部位應力峰值，單位為MPa；σ為屈服強度，單位為MPa。

提取模型在各向載荷下響應最劇烈時刻的各節點應力值，計算其超出許用應力的節點數目，如表5所示。

表5 模型安全系數表

由表5數據和圖3云圖可以看出，該結構均壓環的抗沖擊性能較差。

2.2.2 改進后結構瞬態響應分析

對均壓環結構進行改進，在對稱位置增加固定連接，并重新建立有限元模型，對模型進行相同方式的網格劃分，并求解模型模態特性，其前6階固有頻率如表6所示。

表6 固有頻率值

對改進后模型加載沖擊載荷，應力響應結果如圖4所示。由圖4結果可以看出，模型在各向載荷作用下響應最為劇烈時刻的應力峰值遠小于許用應力，模型危險區域應力分布情況得到改善。

圖4 三向沖擊載荷作用下均壓環峰值應力分布云圖

3 結論

文中采用數值仿真方法研究了斷路器均壓環的抗沖擊性能，得到如下結論：

1）原結構均壓環環體與安裝板焊接位置在橫向載荷和縱向載荷作用下，存在應力危險區域。

2）改進后對稱安裝方式的均壓環在各向沖擊載荷作用下均不存在應力危險區域，改進后結構抗沖擊性能較好。