分配電箱沖擊試驗與數(shù)值仿真

李亞璘 歐陽光耀

海軍工程大學船舶與動力學院，湖北武漢430033

分配電箱沖擊試驗與數(shù)值仿真

李亞璘 歐陽光耀

海軍工程大學船舶與動力學院，湖北武漢430033

沖擊試驗是艦用設備抗沖擊特性研究的重要手段。對處于正常通電工作狀態(tài)下的裝有減振器的分配電箱進行沖擊試驗，采集加速度響應數(shù)據(jù)，通過處理，將其作為仿真研究的依據(jù)。利用有限元分析軟件ANSYS計算分配電箱在實際沖擊工況下的加速度響應，并與試驗結(jié)果進行比較，分析造成兩者差異的原因，總結(jié)分配電箱的抗沖擊規(guī)律。

分配電箱；沖擊試驗；有限元分析

1 引言

隨著現(xiàn)代水中兵器的發(fā)展，水下非接觸式爆炸的當量和沖擊持續(xù)時間均明顯提高，以致對艦船的威脅越來越大。在非接觸爆炸環(huán)境下，即使艦船結(jié)構(gòu)處于安全半徑內(nèi)，艦用主要機電設備和武器電子設備也有可能會因承受過大的加速度或位移而遭到破壞，從而喪失戰(zhàn)斗力［1－3］。因此，艦船設備的抗沖擊能力是整個艦船抗沖擊能力的重要組成要素，其決定了艦船在戰(zhàn)斗中的生存能力。本文以分配電箱為主要研究對象，將通過沖擊試驗進行抗沖擊特性研究。

2 沖擊試驗

本沖擊試驗的內(nèi)容主要是利用錘擊法測試分配電箱在通電情況下的沖擊響應。

試驗采用的系統(tǒng)為美國某儀器公司的NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主機型號為NI1042Q，板卡為NIPXI－4472，可以用于采集±10 V范圍的電壓信號。其共有8個通道，單通道采樣頻率可設為1～100 kHz，同步采集，有外觸發(fā)接口，支持ICP式振動加速度傳感器。加速度傳感器型號為KD1001L和KD1002LC。箱體背部安裝的減振器為GSG－8型鋼絲繩減振器，其參數(shù)如表1所示。

目前，現(xiàn)有的試驗方法和儀器設備根本無法達到BV0430-85［4］規(guī)定的沖擊輸入要求，因此，本文的試驗采用錘擊法，主要對固定在沖擊臺架上端分配電箱（圖1）的減振器基礎進行錘擊，然后再通過NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對加速度傳感器測得的箱體及內(nèi)部開關件的加速度數(shù)據(jù)進行采集。試驗的目的為：一方面，通過試驗得到?jīng)_擊信號在分配電箱中的傳播規(guī)律；另一方面，通過將試驗采集的實際沖擊輸入作為仿真計算模型的輸入對仿真結(jié)果和試驗結(jié)果比較，從而驗證仿真的正確性［4］。

表1 GSG－8型減振器參數(shù)Tab.1 Parameters of GSG－8 type isolator

圖1 分配電箱的固定方式Fig.1 Fixation style of distribution box

加速度測點的布置原則主要需考慮分配電箱在受到?jīng)_擊時的薄弱環(huán)節(jié)及沖擊在分配電箱中的主要傳遞途徑。此外，還應使測點易于布置，信號便于采集。加速度傳感器的布置位置如表2所示。

表2 加速度測點布置位置Tab.2 Location of measuring points of acceleration

進行數(shù)據(jù)采集時，落錘重量為60 kg，高度設為0.1 m，采集頻率為25 kHz，采集點數(shù)50 000個。典型的加速度時域值如圖2～圖4所示。

由試驗可知，因隔振器的隔離作用，箱體的垂向加速度小于減振器基礎的加速度，安裝在箱體內(nèi)的斷路器由于箱體本身的彈性及阻尼作用，其響應加速度進一步降低。

圖2 減振器基礎垂向加速度Fig.2 Vertical acceleration of isolator base

圖3 箱體垂向加速度Fig.3 Vertical acceleration of box body

圖4 斷路器垂向加速度Fig.4 Vertical acceleration of breaker

3 仿真計算

3.1 有限元模型的建立

根據(jù)圖紙資料及實物測繪，首先建立分配電箱的三維實體模型，然后在此基礎上對模型進行必要的簡化，并通過專用接口將其從Pro／E導入到ANSYS中［5］。

分配電箱采用高階數(shù)三維結(jié)構(gòu)實體單元SOLID95進行仿真。減振器彈簧的三向剛度可用3個重疊的、分別定義剛度方向的COMBIN14單元進行模擬［6］。在彈簧單元下部的相應節(jié)點上，布置大質(zhì)量點并用MASS21單元模擬，以便于施加沖擊載荷，其值一般取裝置整體質(zhì)量的10～20倍。

完成材料屬性定義后，對模型進行六面體網(wǎng)格劃分。劃分完畢的分配電箱有限元模型共有10 013個單元，62 853個節(jié)點，如圖5所示。

圖5 分配電箱有限元模型Fig.5 The finite element analysis model of distribution box

3.2 抗沖擊計算

根據(jù)BV043／85標準，本文在對分配電箱進行垂向抗沖擊計算時，施加了雙重半正弦加速度沖擊（圖6），選取的工況如表3所示［7－10］。

圖6 雙重正弦加速度時歷曲線Fig.6 Time history curve of double sine wave acceleration

表3 垂向沖擊工況參數(shù)Tab.3 Work condition parameter of vertical shock

計算后的分配電箱垂向加速度響應如圖7～圖10所示。

3.3 結(jié)果分析

與試驗中傳感器測點對應的加速度響應進行對比可以發(fā)現(xiàn)：仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)反映的沖擊規(guī)律基本吻合，在實際沖擊工況下，分配電箱的加速度響應是垂向、橫向和縱向三個方向加速度耦

圖7 箱體垂向加速度Fig.7 Vertical acceleration of box body

圖8 箱體橫向加速度Fig.8 Horizontal acceleration of box body

圖9 箱體縱向加速度Fig.9 Lognitudinal acceleration of box body

圖10 斷路器垂向加速度Fig.10 Vertical acceleration of breaker

合作用的結(jié)果，且設備的垂向加速度響應要明顯大于橫向和縱向的加速度響應。通過仿真計算，發(fā)現(xiàn)箱體的三向加速度與試驗相差不大，均略小于試驗結(jié)果。造成這種誤差的原因主要有：

1）在仿真中對分配電箱的模型進行了簡化，箱體是作為一個整體進行的建模，忽略了其中的螺栓連接，且斷路器也是用質(zhì)量塊來代替。

2）在實際工況中，減振器的靜剛度、動剛度和沖擊剛度均呈非線性，而在仿真中則是采用線性方式進行的處理。彈簧剛度采用的是靜剛度，在受到?jīng)_擊時，變形量超過了其最大變形量，從而減小了沖擊力的傳遞。

4 結(jié)語

本文對分配電箱進行了沖擊試驗，以采集得到的減振器基礎加速度數(shù)據(jù)作為該設備有限元模型的沖擊輸入，并根據(jù)BV0430-85標準的要求，對分配電箱進行了瞬態(tài)動力學分析。在比較沖擊試驗數(shù)據(jù)與數(shù)值仿真結(jié)果的基礎上，分析造成兩者差異的原因，得到了分配電箱的沖擊規(guī)律，可為今后進一步研究分配電箱的抗沖擊特性奠定基礎。

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Shock Test and Simulation of Distribution Box

Li Ya－lin Ouyang Guang－yao
College of Naval Architecture and Power，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

Shock test is an important method to anti－shock characteristic study of shipboard equipment.A distribution box set with vibration isolator was subjected to shock loading under electrified condition.Its acceleration response was measured and the data as the basis of simulation was processed.The acceleration response of distribution box under practical shock condition was calculated with finite element analysis software ANSYS.The simulation results were compared with shock test and the differences between both were analyzed.The anti－shock regulation of distribution box was also summarized at last.And the simulation method is proved right.

distribution box；shock test；finite element analysis

U665.14

：A

：1673－3185（2011）04－34－03

2009-11-04

李亞璘（1985－），男，碩士研究生。研究方向：動力機械的設計、仿真與優(yōu)化。E-mail：moison＠163.com

歐陽光耀（1964－），男，教授，博士生導師。研究方向：動力機械的設計、仿真與優(yōu)化。E-mail：ouyanggy＠126.com

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.04.007