電力機車微機柜鈑金加工

一種電力機車微機柜的結構靜強度分析

導 語

隨著我國軌道交通行業的高速發展，電力機車司機室內電子設備的安全性和可靠性得到了越來越多的重視，本文介紹了一種電力機車微機柜的結構，并用有限元分析模擬了其結構強度和剛度的可靠性，以此說明柜體結構設計合理。

近年來，我國鐵路裝備制造業發展迅速，對電力機車內部的柜體結構性能提出了更高的要求，電子設備的機械結構伴隨著軌道交通行業的蓬勃發展，形成了一個學科，電子設備的結構大部分是由鈑金件折彎焊接起來的。

柜體內部安裝有高密度的電子元器件，柜體作為承載電子器件的基礎結構，其強度、剛度可靠才能保證設備的正常運行。本文介紹了一種微機柜的結構組成，并且建立了有限元模型，分析了其強度和剛度，為設備的實際安裝提供了數據支持。

微機柜的總體結構設計

微機柜由主體框架、A 和B 組插件箱（6U 插箱）、風扇冷卻裝置、焊接散熱器組成。圖1 和圖2 是微機柜的三維結構模型圖和內部組成圖。

圖1 微機柜三維結構模型圖

圖2 微機柜的內部組成圖

1-主體框架，2-放置A 組插件箱，3-風扇冷卻裝置，4-放置B 組插件箱，5-后面板組件，6-散熱罩（拆除散熱罩可以看到焊接散熱器）

微機柜主體框架結構由2 ～4mm 厚度的優質冷軋薄鋼板折彎焊接而成，微機柜柜體主要結構參數為，外形尺寸為910mm×870mm×553mm；柜體主體框架重約100kg，A、B 組插件箱各重約30kg，風扇冷卻裝置重約10kg。焊接標準滿足《BS EN1508-1-2007鐵路上的應用-鐵路車輛及其部件的焊接》。

理論基礎

在彈性力學中關于圣維南原理的內容是：分布于彈性體上一小塊面積(或體積)內的荷載所引起的物體中的應力，在離荷載作用區稍遠的地方，基本上只與同荷載的合力和合力矩有關；荷載的具體分布只影響荷載作用區附近的應力分布。還有一種等價的提法:如果作用在彈性體某一小塊面積(或體積)上的荷載的合力和合力矩都等于零，則在遠離荷載作用區的地方，應力就小得幾乎等于零。

在材料力學中四大強度理論，可以統一用公式表達：σr ≤［σ］。式中σr 表示計算應力；［σ］表示材料的許用應力。

建立有限元模型

微機柜柜體材料牌號為Q235A 和SUS304，其技術參數見表1。

表1 不同微機柜柜體材料的技術參數

靜力學分析是用來分析計算，結構在受到固定不變載荷的作用時所產生的響應，包括結構的形變、應力和應變等。有限元分析工程包括三個階段：前處理階段、求解階段、后處理階段。

前處理階段

⑴有限元模型要適當簡化，去掉一些不影響整體結構分析的零部件，本次分析柜體去掉的零件有：柜門門板、散熱器外罩、后面板組件、風扇冷卻裝置、風扇外罩。

⑵網格劃分過程中，采用六邊形網格，最終網格單元數量為143362 個，節點數量為1040851 個，網格劃分圖如圖3 所示。

圖3 微機柜柜體網格劃分圖

⑶施加約束條件。

約束條件為微機柜柜體底板4個安裝孔處圓柱面約束（Cylindrical Support），徑向約束和法向約束，如圖4所示。

圖4 微機柜柜體底部約束條件圖

⑷施加固定載荷。

在放置A、B 組插件箱處的橫梁上各施加75N 的壓力，在放置風扇冷卻裝置的橫梁上各施加50N 的壓力，包括重力加速度-Y 方向，如圖5 所示。

圖5 柜體施加約束條件和固定載荷

求解階段

通過有限元軟件進行求解solve。

后處理階段

從微機柜主體框架位移云圖（圖6）中，可以看出柜體最小變形發生在柜體后下側，位移最大發生在放置A 組插件箱的中間梁部位處，最大位移值0.23mm，數值較小，可以忽略不計。

圖6 微機柜主體框架位移云圖

從微機柜主體框架應力云圖（圖7）中，可以看出柜體固定約束端的長圓孔處發生了應力集中現象，但是根據圣維南原理可知，固定約束處的應力值不可信。

圖7 微機柜主體框架應力云圖

根據結構強度經驗判斷，柜體應力的最大值的應該出現在放置插件箱的位置處，從局部應力云圖（圖8）中看到，整體柜體應力值除了固定約束處的應力值在200MPa 附近，其余部位的應力值均未超過材料Q235A 的屈服強度235MPa。在實際應用中，我們只關心一些危險點，只要這些危險點不存在強度問題，我們就認為整個構件是沒有問題的。綜上所述，柜體結構設計合理。

圖8 微機柜主體框架應力局部放大圖

結束語

本文根據微機柜的結構特性，介紹了鈑金類裝配體的有限元建模過程，包括有限元模型的簡化處理、網格劃分等。

運用有限元軟件對其進行靜強度分析，得到了柜體的位移云圖和應力分布云圖。且應力值均小于材料的屈服強度，滿足靜強度要求。

分析結果證明了柜體結構強度完全滿足使用要求，而且有很大的優化設計的空間，這也為對柜體進行拓撲結構優化設計提供一定的參考。下一步將會進行柜體的拓撲優化設計、模態分析、散熱分析等。