一种电力机车微机柜的结构静强度分析

文／卫玉·太原畅通致远铁路机车车辆电子有限公司

导 语

随着我国轨道交通行业的高速发展，电力机车司机室内电子设备的安全性和可靠性得到了越来越多的重视，本文介绍了一种电力机车微机柜的结构，并用有限元分析模拟了其结构强度和刚度的可靠性，以此说明柜体结构设计合理。

近年来，我国铁路装备制造业发展迅速，对电力机车内部的柜体结构性能提出了更高的要求，电子设备的机械结构伴随着轨道交通行业的蓬勃发展，形成了一个学科，电子设备的结构大部分是由钣金件折弯焊接起来的。

柜体内部安装有高密度的电子元器件，柜体作为承载电子器件的基础结构，其强度、刚度可靠才能保证设备的正常运行。本文介绍了一种微机柜的结构组成，并且建立了有限元模型，分析了其强度和刚度，为设备的实际安装提供了数据支持。

微机柜的总体结构设计

微机柜由主体框架、A 和B 组插件箱（6U 插箱）、风扇冷却装置、焊接散热器组成。图1 和图2 是微机柜的三维结构模型图和内部组成图。

图1 微机柜三维结构模型图

图2 微机柜的内部组成图

微机柜主体框架结构由2 ～4mm 厚度的优质冷轧薄钢板折弯焊接而成，微机柜柜体主要结构参数为，外形尺寸为910mm×870mm×553mm；柜体主体框架重约100kg，A、B 组插件箱各重约30kg，风扇冷却装置重约10kg。焊接标准满足《BS EN1508-1-2007铁路上的应用-铁路车辆及其部件的焊接》。

理论基础

在弹性力学中关于圣维南原理的内容是：分布于弹性体上一小块面积(或体积)内的荷载所引起的物体中的应力，在离荷载作用区稍远的地方，基本上只与同荷载的合力和合力矩有关；荷载的具体分布只影响荷载作用区附近的应力分布。还有一种等价的提法:如果作用在弹性体某一小块面积(或体积)上的荷载的合力和合力矩都等于零，则在远离荷载作用区的地方，应力就小得几乎等于零。

在材料力学中四大强度理论，可以统一用公式表达： σr≤［σ］。式中σr表示计算应力；［σ］表示材料的许用应力。

建立有限元模型

微机柜柜体材料牌号为Q235A 和SUS304，其技术参数见表1。

表1 不同微机柜柜体材料的技术参数

静力学分析是用来分析计算，结构在受到固定不变载荷的作用时所产生的响应，包括结构的形变、应力和应变等。有限元分析工程包括三个阶段：前处理阶段、求解阶段、后处理阶段。

前处理阶段

⑴有限元模型要适当简化，去掉一些不影响整体结构分析的零部件，本次分析柜体去掉的零件有：柜门门板、散热器外罩、后面板组件、风扇冷却装置、风扇外罩。

⑵网格划分过程中，采用六边形网格，最终网格单元数量为143362 个，节点数量为1040851 个，网格划分图如图3 所示。

图3 微机柜柜体网格划分图

⑶施加约束条件。

约束条件为微机柜柜体底板4个安装孔处圆柱面约束（Cylindrical Support），径向约束和法向约束，如图4所示。

图4 微机柜柜体底部约束条件图

⑷施加固定载荷。

在放置A、B 组插件箱处的横梁上各施加75N 的压力，在放置风扇冷却装置的横梁上各施加50N 的压力，包括重力加速度-Y 方向，如图5 所示。

图5 柜体施加约束条件和固定载荷

求解阶段

通过有限元软件进行求解solve。

后处理阶段

从微机柜主体框架位移云图（图6）中，可以看出柜体最小变形发生在柜体后下侧，位移最大发生在放置A 组插件箱的中间梁部位处，最大位移值0.23mm，数值较小，可以忽略不计。

图6 微机柜主体框架位移云图

从微机柜主体框架应力云图（图7）中，可以看出柜体固定约束端的长圆孔处发生了应力集中现象，但是根据圣维南原理可知，固定约束处的应力值不可信。

图7 微机柜主体框架应力云图

根据结构强度经验判断，柜体应力的最大值的应该出现在放置插件箱的位置处，从局部应力云图（图8）中看到，整体柜体应力值除了固定约束处的应力值在200MPa 附近，其余部位的应力值均未超过材料Q235A 的屈服强度235MPa。在实际应用中，我们只关心一些危险点，只要这些危险点不存在强度问题，我们就认为整个构件是没有问题的。综上所述，柜体结构设计合理。

图8 微机柜主体框架应力局部放大图

结束语

本文根据微机柜的结构特性，介绍了钣金类装配体的有限元建模过程，包括有限元模型的简化处理、网格划分等。

运用有限元软件对其进行静强度分析，得到了柜体的位移云图和应力分布云图。且应力值均小于材料的屈服强度，满足静强度要求。

分析结果证明了柜体结构强度完全满足使用要求，而且有很大的优化设计的空间，这也为对柜体进行拓扑结构优化设计提供一定的参考。下一步将会进行柜体的拓扑优化设计、模态分析、散热分析等。