【机车结构剖析】电力机车微机柜结构静强度分析

导游

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越来越受到重视，本文介绍了电力机车微型机柜的结构，通过有限元分析模拟了结构强度和刚度的可靠性，表明机柜结构设计是合理的。

近年来，我国铁路装备制造业迅速发展，对电力机车内部的机柜结构性能提出了更高的要求，电子设备的机械结构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由钣金弯曲焊接而成。

机柜内部安装了高密度电子组件，机柜作为承载电子设备的基础设施，强度和刚度必须稳定，才能保证设备的正常运行。本文介绍了微型机柜的结构，建立了有限元模型，分析了强度和刚度，为设备的实际安装提供了数据支持。

微机机柜总体结构设计

微机柜由主体框架、A和B组插件盒(6U插头)、风扇冷却装置和焊接散热器组成。图1和图2是微型计算机机柜的三维结构模型和内部配置图。

图1微机机柜三维结构模型图

图2微机机柜的内部组件

1-本体框架、2- a组插件盒放置、3-风扇冷却装置、4- b组插件盒放置、5-背板组件、6-热盖(移除热盖后，会显示焊接散热器)

微柜体框架结构由2 ~ 4毫米厚的高质量冷轧钢板的弯曲焊接而成，微柜体的主要结构参数为910毫米870毫米553毫米。机柜主体框架的重量约为100公斤，A、B组插件盒的重量分别约为30公斤，风扇冷却装置的重量约为10公斤。焊接标准符合《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

弹性力学中关于性别比南原理的内容是在弹性体的小面积(或体积)内分布的载荷引起的物体应力。距离载荷作用区域稍远的地方，基本上只与载荷的合力和合力相关。载荷的特定分布仅影响载荷作用区域附近的应力分布。如果作用在弹性体的小区域(或体积)上的载荷的合力和合力都为零，则远离载荷作用区域的应力几乎为零。

材料力学中，四大强度理论可以用公式统一表达： R []。表达式中r表示计算应力。[]表示材料的许用应力。

创建有限元模型

微机柜材料等级为Q235A和SUS304，其技术参数见表1。

表1不同微机机柜材料的技术参数

静态分析用于分析结构受固定不变载荷影响时生成的计算，包括结构的变形、应力和应变等。有限元分析项目包括三个阶段：预处理阶段、分析阶段和后处理阶段。

预处理阶段

(1)有限元模型应适当简化，以消除不影响整体结构分析的零件。从该分析机柜中取出的部件包括机柜门板、散热器外壳、背板组件、风扇冷却装置和风扇外壳。

在网格过程中使用六边形网格，最终网格单元数为143362个，节点数为1040851个，网格分割图3所示。

图3微机柜网

应用约束条件。

约束包括圆柱面约束(Cylindrical Support)、半径约束和垂直约束，如图4所示，在微型机柜底板的四个安装孔中。

图4微机机柜底部约束图

施加固定载荷。

如图5所示，放置A、B组插件框的梁各施加75N的压力，放置风扇冷却装置的梁各施加50N的压力，包括重力加速度-Y方向。

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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。

——摘自《钣金与制作》 2021年第8期