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开关磁阻电动机振动特性的有限元分析
朱大巍 秦建忠 李杰
摘要：
根據电子设备结构振动试验标准的要求，利用ANSYS建立变频器机柜的有限元模型，获得结构的模态频率和冲击载荷下的结构响应，并与试验结果对比，验证变频器机柜有限元模型的可靠性。分析变频器机柜的振动特性，结果表明：变频器机柜顶部减振器安装位置受到的冲击能量较大，机柜内部的冲击能量较小，机柜内设备可得到有效防护。
关键词：
变频器机柜； 冲击响应； ANSYS； 有限元； 振动特性
中图分类号： U665
文献标志码： 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
作者简介：
朱大巍（1985—），男，江苏宿迁人，工程师，研究方向为结构振动及噪声，（E-mail）zhudw@relialab.com
0 引 言
变频器是船舶的重要设备之一，其结构的稳定性直接影响船舶动力系统的可靠性。[1]在变频器设计阶段，需要建立准确的数值模型，分析其主结构的振动冲击特性。
近年来，计算机硬件技术不断进步，大型商业有限元软件功能日益完善，计算机仿真技术在研究产品振动特性和冲击特性方面表现出极大的优势，在设计过程中得到越来越多的应用。孟庆鹏等[2]基于舰载机柜抗冲击设计要求，进行机柜抗冲击仿真分析，校核机柜的结构强度。康文利等[3]基于HyperWorks研究机柜底部安装孔位处安装刚度对机柜抗震性能的影响。于坤鹏等[4]基于Abaqus分析过载、冲击、随机振动等条件下机柜的刚度和强度并进行优化设计。变频器的实际结构较为复杂，部件连接方式多样，若结构简化或连接方式处理不当，则会影响有限元计算结果的准确性，因此有必要用试验结果对有限元分析进行校核和验证。准确的有限元模型可以用于指导类似结构的动力学特性分析、结构应力强度评估和结构优化设计。
本文基于变频器机柜的三维CAD模型，采用HyperMesh建立其有限元模型，导入ANSYS中进行模态分析和冲击响应计算，并与试验结果对比，验证有限元结果的准确性。
1 变频器机柜结构
变频器机柜安装示意见图1。机柜支撑框架主要由槽钢焊接而成，电子设备通过螺栓连接到安装支座上，安装支座与支撑框架通过焊接方式连接，支撑框架外部通过螺栓连接柜体面板。变频器机柜通过减振器连接到船体上。
图 1 变频器机柜安装示意
2 变频器机柜有限元模型
对于变频器结构，除起承载作用的支撑框架外，还有很多用于安装、封闭等其他用途的构件。由于这些构件与支撑框架的连接是点连接方式，对结构的刚度影响较小，因此在力学分析中，通常要求只对结构的主要支撑构件进行分析而不计其他构件的作用。在有限元模型中，采用壳单元模拟支撑结构，质量单元模拟设备质量，弹簧单元模拟减振器。设备和减振器与支撑结构的连接采用刚性连接方式。变频器支撑框架有限元模型见图2。
模型共有17万个单元、15万个节点。模态计算时，约束减振器与安装基础连接点所有自由度。采用大质量法[5]进行冲击计算，约束减振器与安装基础连接点非冲击振动方向所有自由度，在冲击方向上施加冲击力载荷。支撑结构的材料为Q345E，材料参数见表1。减振器的动刚度采用生产厂家提供的参数。
图 2 变频器支撑框架有限元模型
表 1 Q345E材料參数
3 变频器机柜试验
3.1 扫频试验
将变频器机柜通过工装安装在振动台上，在顶部减振器附近放置加速度传感器。通过控制仪控制激励输入，测得振动幅值，得到变频器的共振频率。扫频试验见图3。
图 3 扫频试验
3.2 冲击试验
根据GJB 150.18—1986《军用设备环境试验方法——冲击试验》，装有试件的过渡安装架通过螺栓刚性安装在中型冲击机支撑槽钢上进行冲击试验（见图4）。变频器机柜上共布置3个加速度测点，分别位于支撑结构靠近底部减振器附近、水管上和支撑结构顶部减振器附近。
图 4 冲击试验
4 试验与仿真结果对比
4.1 频率对比
计算固有频率和扫频试验得到的共振频率结果见表2，计算误差在可接受范围内。产生误差的主要原因有以下2个方面：（1） 模型简化，焊接部位采用共节点的方式，与实际情况略有不同；（2） 共振频率受到扫频试验的影响，得到的结果与实际频率有微小偏差。
表 2 计算固有频率和试验共振频率
4.2 冲击响应计算和对比
由于冲击响应的计算结果需要与试验测得的数据进行对比，因此采用实际测得的加速度作为激励输入进行冲击计算。
冲击输入波形见图5，将其作为激励加速度施加到有限元模型上，计算加速度传感器测点的加速度响应。根据瑞利阻尼公式[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分别为质量比例因数和刚度比例因数；f1和f2分别为第1和2阶固有频率，分别取7.55和7.63 Hz；η为阻尼比，根据冲击响应波形和仿真响应波形，取0.01。
测点1～3的试验与计算加速度对比分别见图6～8。由此可见，加速度的试验值与计算值的变化规律基本相同，只是在数值上有所差异，且这种差异在工程上是可以接受的。在某些时间区域上，试验值和计算值的变化不相同，可能是机柜内的设备与假设不符，并不具备足够刚度导致的，从总体来看，认为可将机柜内部设备简化为质量点。
图 5 冲击输入波形
图 6 测点1的试验与计算加速度对比
图 7 测点2的试验与计算加速度对比
图 8 测点3的试验与计算加速度对比
5 机柜冲击特性
机柜冲击最大加速度见图9。在31和168 ms时，机柜冲击速度达到最大值，对应的加速度云图分别见图10和11。变频器机柜冲击能量集中在顶部减振器与机柜框架的连接处，机柜内部的冲击能量较小，证明变频器机柜的结构设计合理，能有效保护内部设备。
图 9 机柜冲击最大加速度
图 10 31 ms时机柜加速度云图
图 11 168 ms时机柜加速度云图
6 结束语
基于ANSYS建立船舶所用某型号变频器机柜有限元模型，进行模态分析和冲击载荷下的结构响应分析，并与试验测试共振频率和冲击响应进行对比，结果表明：（1） 建立的有限元模型能充分反映变频器机柜的振动及冲击特性；（2） 有限元的模态计算和冲击响应结果具有较好的准确性，能够应用于工程实际中。基于该有限元模型分析冲击载荷下机柜的振动特性，分析结果表明：该机柜可以有效保护内部设备。
参考文献：
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[2] 孟庆鹏， 庄文许， 顾郑强. 某舰载雷达发射机机柜抗冲击仿真分析[J]. 雷达与对抗， 2014， 34（3）： 39-42.
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[4] 于坤鹏， 杨传忠， 王志海. 某雷达机柜结构刚强度有限元分析[J]. 电子机械工程， 2017， 33（2）： 27-30. DOI： 10.3969/j.issn.1008-5300.2017.02.005.
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