基于ANSYS軟件的儲能機柜力學分析及優化設計

夏新濤++李煒

摘 要 本文介紹了儲能機柜的基本特點和設計要求，并利用ANSYS軟件對機柜框架進行了力學分析，同時結合試驗進行驗證，并根據力學分析及試驗驗證的結果，對儲能機柜進行優化設計。

關鍵詞 儲能機柜；力學分析；優化設計

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）19-0023-03

隨著光伏和風電等新能源技術的推廣，配套的儲能設備也發展迅速。新能源一般都使用在邊遠地區，或海島等環境復雜的地域，需要通過非常艱難的運輸過程，才能到達設備的安裝地。新能源儲能設備一般選擇機柜來進行安裝，設備的重量都比較大，有些儲能設備單臺的重量在1.5t左右。要求配套的機柜有非常好的靜載和動載承受能力。在吊裝、運輸、安裝、抗震等方面的要求非常高[1]，機柜強度將直接影響設備的產品交付和使用安全。

目前，電力儲能設備在國內的推廣處于示范階段，還沒有專門針對電力儲能機柜開發的重載、抗振型機柜。一般會選用電力行業常用的機柜類型，比如C型型材機柜、9折型材機柜、16折型材機柜等[1]。但這幾類電力行業常用的機柜的承載能力不大于1t，如果使用環境的抗振要求在烈度7級以上，此類機柜的抗振能力不夠。

1 分析優化思路及步驟

本文從滿足新能源儲能機柜（下稱機柜）承載強度需要出發，專門開發出一種專用的重載高強度機柜。該機柜規格尺寸為1300（長）×800（寬）×2300（高），高度不包含門楣，但包含底座100高），機柜總重量約1.5t，機柜共安裝12個電池單元模塊，每個電池單元模塊重量約100 kg。

針對機柜的強度進行分析，從機柜吊環的承載設計及機柜靜載強度出發，針對幾種不同的吊裝工控進行有限元分析，計算出零部件的應力及位移分布圖，查找機柜結構強度設計的薄弱環節[2-3]。并通過實際的吊裝實現進行驗證，找出設計的不足，完成對機柜結構強度設計的優化。

2 吊環拉伸強度分析

本文設計機柜采用吊環起吊，根據國標GB825-M12規定要求，初步選定M12吊環螺釘，單個吊環螺釘的起吊重量不超過500 kg，4個M12吊環起吊重量應在1.6～2t之間，能滿足機柜的起吊需要。

首先，對選用的GB825-M12（4.8級，鍍白鋅，螺距1.5 mm）吊環進行拉伸強度校核，機柜重量按1.5噸計算。查閱機械設計相關規定，當吊環螺釘承受工作載荷時，吊環螺釘的危險截面一般為螺紋牙根圓柱的橫截面，拉伸強度校核條件為：

1）兩點對角起吊：單個吊環的拉伸強度

2）四點起吊：單個吊環的拉伸強度

查閱機械設計手冊中螺紋連接的安全系數取5（M12、碳鋼、不控制預緊力、靜載荷），4.8級吊環的屈服極限為320 MPa，計算的需要拉伸應力為64 MPa。

從理論上考慮，現場吊裝機柜時，如果采用兩點對角吊裝形式，單個吊環螺釘承受的拉伸應力將超出其許用應力，吊環有發生屈服失效，發生斷裂和變形的潛在危險存在。

3 機柜強度分析和校核

首先對機柜進行網格劃分，再分幾種不同的工況進行強度分析和校核，分別為：吊環固定工況、兩點對角吊裝工況、四點對角吊裝工況、靜載工況。

3.1 網格劃分

細化網格可以使計算結果更精確，但是會增加CPU計算時間、需要更大的存儲空間。網格劃分時需要權衡計算成本和細化網格之間的矛盾。網格劃分結果如圖1所示。

圖1 機柜網格劃分

3.2 吊環固定工況分析

采用四點吊裝，載荷、位移約束條件如下。

1）位移約束條件：四個吊環的位移為固定約束（Fixed Support）。

2）機柜自重的加載：重力加速度g=9806.6 mm/s2；

3）單個電池模塊重量加載：按1.5倍的重量（約150 kg），通過施加重量模塊來模擬完成加載。

將計算的載荷和位移約束分別加載后，進行仿真計算，得到固定吊環工況下機柜的位移、應力云圖分別如圖2所示。

圖2 吊環固定工況下位移和應力分析圖

力學分析結果表明，吊環固定時，產生的最大位移變形發生在機柜的中間部位下端處，最大變形為0.791 mm，零部件所受最大應力240.15 MPa，最大應力發生在四個吊環處，吊環會發生屈服現象（斷裂）。

3.3 兩點對角吊裝工況分析

采用兩點對角吊裝，載荷、位移約束條件如下。

1）位移約束條件：機柜的底座位移為固定約束（Fixed Support）。

2）2個對角吊環施加載荷：起吊中心距機柜頂部高度為1500 mm，載荷大小為機柜的重量（2138.6 kg），轉換為分量施加到吊環上。

將計算的載荷和位移約束分別加載后，進行仿真計算，得到固定吊環工況下機柜的位移、應力云圖分別如圖3所示。

圖3 兩點對角起吊工況下位移和應力分析圖

力學分析結果表明，產生的最大位移變形發生在機柜的吊環處，最大變形為1.4786 mm，零部件所受最大應力598 MPa，最大應力發生在吊環螺釘處，吊環會發生屈服現象。

3.4 四點起吊吊裝工況分析

將計算的載荷和位移約束分別加載后，進行仿真計算，得到固定吊環工況下機柜的位移、應力云圖分別如圖4所示。

圖4 四點對角起吊工況下位移和應力分析圖

力學分析結果表明，產生的最大位移變形發生在機柜的兩側縱梁中間處，最大變形為0.6927 mm，零部件所受最大應力305.36 MPa，最大應力發生在吊環螺釘處，吊環會發生屈服現象。

3.5 靜載工況分析

將計算的載荷和位移約束分別加載后，進行仿真計算，得到固定吊環工況下儲能機柜的位移、應力云圖分別如圖5所示。endprint

圖5 靜載工況下位移和應力分析圖

力學分析結果表明，產生的最大位移變形發生在機柜的兩側縱梁中間處，最大變形為0.6927 mm，零部件所受最大應力305.36 MPa，最大應力發生在吊環螺釘處，吊環會發生屈服現象。

4 試驗驗證

通過對上面四種不同工況進行應力和位移的分析，機柜存在吊環斷裂和脫落的危險，機柜某些部位的強度也不夠，存在破裂的潛在危險。針對上面的分析情況，分別進行了靜載試驗和吊裝試驗，按照機柜的實際載重量加工了試驗配重，并將配重全部加載在機柜上，然后進行靜載和吊裝試驗。經過試驗驗證，機柜在極端情況下出現了如圖6所示的破壞狀況。

采用四點起吊吊裝工況試驗時，機柜在靜載和吊裝試驗均沒有出現問題；采用兩點起吊吊裝工況試驗時，機柜有吊環出現了斷裂和脫落的現象，同時因為兩點起吊吊裝，機柜頂部的框架出現了脫焊的現象；機柜在正常四點吊裝的試驗下，吊裝10次以上不存在任何問題。

圖6 機柜吊環斷裂及破壞情況

5 結束語

通過ANSYS軟件對機柜進行不同工況下的有限元分析[4]，并根據實際的使用情況進行了試驗驗證，找出了機柜的潛在危險。經過分析試驗結果，擬采用下述措施對機柜的薄弱環節進行優化和改進。

1）采用8.8級的高強度M12吊環螺釘，增強吊環螺釘的屈服強度?；蛟龃蟮醐h螺釘的規格，將吊環螺釘增大到M20，即可同時滿足兩點或四點吊裝的要求。

2）由于機柜在安裝了所有電氣設備之后，重量過重（1.5T），因此可以放棄吊環螺釘吊裝的方式，在機柜頂部安裝前后吊裝角鋼進行吊裝。

3）機柜框架的四角的應力較大，采用兩點吊裝方式時易加重應力集中而造成損壞。在框架焊接時，采用塞縫焊接方式并滿焊，提高柜體連接角的強度；亦可以根據設計經驗，通過加強筋板加固四角。

利用ANSYS軟件進行有限元分析，獲取準確的機柜應力和應變模型，并根據實際工況進行試驗驗證，驗證ANSYS軟件的分析結果，找出機柜的薄弱環節和潛在危害，并根據結果進行設計優化。通過有限元分析及樣柜的試驗驗證，提高了機柜設計的準確性，為機柜的設計提供了可靠的依據。

參考文獻

[1]朱云霄，黃平，郭勝軍，等.電力二次設備用機柜框架的設計[J].電子機械工程2010，26（1）：31-34.

[2]王韻，黃春曉.基于模態分析的通信機柜結構設計[J].機械設計，2008，20（12）：135-136.

[3]劉衍平，張劉斗，等.電子設備機柜結構的模態分析[C].張家界：第26屆中國控制會議，2007：464-467.

[4]陳酋.電子機柜結構設計的方案優化[J].東南大學，2003：6-24.

作者簡介

夏新濤（1957-），男，教授，博士，河南科技大學機電程學院軸承研究所所長。endprint