船用配電柜承重梁結構優化設計

陳宇航，郇文明，郭城志

應用研究

船用配電柜承重梁結構優化設計

陳宇航1，郇文明1，郭城志2

(1. 海裝沈陽局駐葫蘆島地區軍事代表室，沈陽 110000；2. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

針對船用配電柜受到外部沖擊可能發生功能失效這一現象，對船用配電柜承重梁結構進行優化設計，在符合規定的外形尺寸與重量范圍內通過優化設計增強結構的抗沖擊性能。采用有限元法對四種不同結構的承重梁結構進行抗沖擊仿真計算，得到相應的抗沖擊響應應力和變形。通過對比分析得到在相同重量下，抗沖擊性能最強，性價比最高的配電柜承重梁結構型式，可以為同類型的配電柜承重梁結構設計提供參考。

船用配電柜承重梁 有限元法 抗沖擊

0 引言

船用配電柜承重梁在支撐和保護配電柜中起到關鍵作用。在執行任務過程中，配電柜可能受到很大沖擊，抗沖擊性能強的承重梁能承受住該沖擊力，繼續起到支撐作用，從而能保護配電柜中各種器件。承重梁截面的結構在梁受力中起重要作用，因此，在保證外形尺寸和重量的前提下，最大限度的提高承重梁的結構強度和抗沖擊性能，是當今承重梁結構優化設計的熱點問題。

已有眾多學者對承重梁的結構設計展開過研究，趙強[1]等人采用ANSYS有限元優化分析方法，對承重梁截面進行優化分析，對工程設計中的復雜結構優化設計提供參考依據。胡苗[2]等人分析了造橋機在進行混凝土箱梁澆筑施工時的受力狀態，對其結構進行優化得到較理想的結構模型。黃坤[3]等人研究了懸索承重梁耦合結構的垂向運動動力學模型，結果顯示系統僅發生低頻或高頻主共振時，結構的振幅會隨激勵幅值和頻率變化出現突然跳躍。劉燦培[4]研究了電梯主機承重梁在工程實踐中的非標升級問題，提出了一種基于Excel軟件的快速設計方法。段博[5]等人提出了一種新型的內爬塔吊承重梁的結構設計，其主體結構面外彎矩更小，可使結構鋼筋用量大幅降低，具有很好的推廣前景。

本文采用有限元研究方法，對不同的配電柜承重梁結構進行仿真計算。通過對比分析不同結構下承重梁的性能，得到較優的配電柜承重梁結構設計方案。

1 配電柜承重梁模型

配電柜承重梁在支撐柜體的重量上起關鍵作用。其主要分布在柜體的四周，是柜體的主骨架，其結構如圖一所示，圖上已標出承重梁對應位置。

圖1 配電柜框架及承重梁

配電柜承重梁的結構強度和抗沖擊性能在整個配電柜的抗沖緩振中有決定性作用。在對承重梁的結構設計中，在使用相同載荷的前提下，我們考慮了四種常用的結構型式，分別是半開口型、矩形、C型和開口型，其截面形狀如圖2所示。

圖2 不同結構的承重梁橫截面

研究選取的半開口型、矩形、C型和開口型承重梁模型的截面積相同，代表四種不同結構的承重梁的重量相同。其中半開口型的高度尺寸最大，另外三種結構的高度尺寸接近，開口型的寬度尺寸最大，半開口型和C型的寬度尺寸相同，矩形的寬度尺寸最小。

2 沖擊計算輸入

根據GJB1060.1-91“艦船環境條件要求-機械環境”中對艦船結構以及設備的沖擊設計要求，按照設備抗沖擊等級對于艦船航行和性能的重要程度，把設備分為A、B、C三個等級。在配電柜中安裝有大量控制開關和電力電子元器件，在電機與船用負載間起關鍵樞紐作用，所以配電柜應定為A級設備。

對水面艦船來說，根據設備安裝的空間位置，將之分為船體部位安裝設備、甲板部位安裝設備和外板部位安裝設備。配電柜位于艦船甲板，通過底座固定在甲板上，應該歸類于甲板安裝設備。

經過上述分析，船用配電柜的沖擊環境設計值選取如表1所示。

表1 船用電器柜沖擊環境設計值

表中A、V表示選用彈性設計時對應的加速度和速度值。0、0是對應船用設備的基準加速度和速度值，可通過下面公式計算。

式中：m－設備的模態質量；0、0－標稱加速度譜和速度譜，單位分別是m/s2和m/s。

3 沖擊計算結果

在結構強度計算過程中，假設材料材質均勻且各向同性，連接位置穩固可靠，尺寸皆為名義尺寸無誤差，固定處剛性無變形。

表2 材料機械屬性

根據上節的沖擊計算輸入得到的垂向（Z向）加速度值，將加速度賦入底座模型進行沖擊計算得到柜體承重梁的沖擊響應。本文只選取承重梁中的支撐梁應力和變形云圖以及最大值進行討論分析。四種不同結構支撐梁橫向沖擊響應應力云圖如圖3所示，變形云圖如圖4所示，縱向沖擊響應應力云圖如圖5所示，變形云圖如圖6所示。

記錄四種承重梁的橫向和縱向沖擊響應最大應力和變形值如表3所示，可以看到半開口型承重梁的橫向和縱向沖擊應力值和變形量最大，對于橫向受力，開口型承重梁應力值和變形量大于C型結構，而對于縱向受力，C型結構承重梁的應力值和變形量大于開口型，矩形結構兩個方向的應力值和變形量均最小。

圖3 承重梁橫向沖擊響應應力云圖

圖4 承重梁橫向沖擊響應變形云圖

圖5 承重梁縱向沖擊響應應力云圖

4 結束語

本文使用有限元仿真分析法，對半開口型、矩形、C型和開口型的配電柜承重梁進行了分析和計算。從尺寸重量、抗沖擊性能和性價比等方面綜合評估四種承重梁的結構強度，得出結論如下：

1）在不同結構承重梁重量相同的情況下，開口型的寬度尺寸最大，半開口型和C型的寬度尺寸相同，半開口型的高度尺寸最大。

2）在不同結構承重梁重量相同的情況下，矩形的抗沖擊性能最強，半開口型最弱。

3）矩形結構的配電柜承重梁結構簡單、抗沖擊能力強、制造簡單、成本低，作為船用配電柜承重梁最為合適。

表3 沖擊響應最大應力和變形值

圖6 承重梁縱向沖擊響應變形云圖

[1] 趙強, 邱黃林, 柯貴喜. 基于有限元的承重梁結構優化設計[J]. 新技術新工藝, 2008, (10): 32-33.

[2] 胡苗, 徐學林. 應用有限元對造橋機承重主梁結構尺寸的優化[J]. 裝備制造, 2009(05): 149-150.

[3] 黃坤, 溫建明, 馮奇. 懸索承重梁索耦合結構的垂向運動動力學模型及主共振分析[J]. 工程力學, 2013,30(2):8

[4] 劉燦培. 一種基于Excel軟件的電梯主機承重梁快速設計方法[J]. 中國電梯, 2015, 26(23): 16-19.

[5] 段博, 馬天雨, 韓君. 一種新型內爬塔吊承重梁的設計與應用[J]. 建筑施工, 2023, 45(01): 100-103.

Structural optimization design of marine electrical cabinet bearing beam

Chen Yuhang1, Xun Wenming1, Guo Chengzhi2

(1. Military Representative office of the Naval Equipment Shenyang Bureau in Huludao Region, Shenyang 110000, China；2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM642

A

1003-4862（2023）12-0050-03

2023-07-06

陳宇航（1991-），男，工程師。研究方向：船舶電力系統。E-mail：chen_yh316@126.com