基于ANSYS软件的储能机柜力学分析及优化设计

夏新涛++李炜

摘 要 本文介绍了储能机柜的基本特点和设计要求，并利用ANSYS软件对机柜框架进行了力学分析，同时结合试验进行验证，并根据力学分析及试验验证的结果，对储能机柜进行优化设计。

关键词 储能机柜；力学分析；优化设计

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）19-0023-03

随着光伏和风电等新能源技术的推广，配套的储能设备也发展迅速。新能源一般都使用在边远地区，或海岛等环境复杂的地域，需要通过非常艰难的运输过程，才能到达设备的安装地。新能源储能设备一般选择机柜来进行安装，设备的重量都比较大，有些储能设备单台的重量在1.5t左右。要求配套的机柜有非常好的静载和动载承受能力。在吊装、运输、安装、抗震等方面的要求非常高[1]，机柜强度将直接影响设备的产品交付和使用安全。

目前，电力储能设备在国内的推广处于示范阶段，还没有专门针对电力储能机柜开发的重载、抗振型机柜。一般会选用电力行业常用的机柜类型，比如C型型材机柜、9折型材机柜、16折型材机柜等[1]。但这几类电力行业常用的机柜的承载能力不大于1t，如果使用环境的抗振要求在烈度7级以上，此类机柜的抗振能力不够。

1 分析优化思路及步骤

本文从满足新能源储能机柜（下称机柜）承载强度需要出发，专门开发出一种专用的重载高强度机柜。该机柜规格尺寸为1300（长）×800（宽）×2300（高），高度不包含门楣，但包含底座100高），机柜总重量约1.5t，机柜共安装12个电池单元模块，每个电池单元模块重量约100 kg。

针对机柜的强度进行分析，从机柜吊环的承载设计及机柜静载强度出发，针对几种不同的吊装工控进行有限元分析，计算出零部件的应力及位移分布图，查找机柜结构强度设计的薄弱环节[2-3]。并通过实际的吊装实现进行验证，找出设计的不足，完成对机柜结构强度设计的优化。

2 吊环拉伸强度分析

本文设计机柜采用吊环起吊，根据国标GB825-M12规定要求，初步选定M12吊环螺钉，单个吊环螺钉的起吊重量不超过500 kg，4个M12吊环起吊重量应在1.6～2t之间，能满足机柜的起吊需要。

首先，对选用的GB825-M12（4.8级，镀白锌，螺距1.5 mm）吊环进行拉伸强度校核，机柜重量按1.5吨计算。查阅机械设计相关规定，当吊环螺钉承受工作载荷时，吊环螺钉的危险截面一般为螺纹牙根圆柱的横截面，拉伸强度校核条件为：

1）两点对角起吊：单个吊环的拉伸强度

2）四点起吊：单个吊环的拉伸强度

查阅机械设计手册中螺纹连接的安全系数取5（M12、碳钢、不控制预紧力、静载荷），4.8级吊环的屈服极限为320 MPa，计算的需要拉伸应力为64 MPa。

从理论上考虑，现场吊装机柜时，如果采用两点对角吊装形式，单个吊环螺钉承受的拉伸应力将超出其许用应力，吊环有发生屈服失效，发生断裂和变形的潜在危险存在。

3 机柜强度分析和校核

首先对机柜进行网格划分，再分几种不同的工况进行强度分析和校核，分别为：吊环固定工况、两点对角吊装工况、四点对角吊装工况、静载工况。

3.1 网格划分

细化网格可以使计算结果更精确，但是会增加CPU计算时间、需要更大的存储空间。网格划分时需要权衡计算成本和细化网格之间的矛盾。网格划分结果如图1所示。

图1 机柜网格划分

3.2 吊环固定工况分析

采用四点吊装，载荷、位移约束条件如下。

1）位移约束条件：四个吊环的位移为固定约束（Fixed Support）。

2）机柜自重的加载：重力加速度g=9806.6 mm/s2；

3）单个电池模块重量加载：按1.5倍的重量（约150 kg），通过施加重量模块来模拟完成加载。

将计算的载荷和位移约束分别加载后，进行仿真计算，得到固定吊环工况下机柜的位移、应力云图分别如图2所示。

图2 吊环固定工况下位移和应力分析图

力学分析结果表明，吊环固定时，产生的最大位移变形发生在机柜的中间部位下端处，最大变形为0.791 mm，零部件所受最大应力240.15 MPa，最大应力发生在四个吊环处，吊环会发生屈服现象（断裂）。

3.3 两点对角吊装工况分析

采用两点对角吊装，载荷、位移约束条件如下。

1）位移约束条件：机柜的底座位移为固定约束（Fixed Support）。

2）2个对角吊环施加载荷：起吊中心距机柜顶部高度为1500 mm，载荷大小为机柜的重量（2138.6 kg），转换为分量施加到吊环上。

将计算的载荷和位移约束分别加载后，进行仿真计算，得到固定吊环工况下机柜的位移、应力云图分别如图3所示。

图3 两点对角起吊工况下位移和应力分析图

力学分析结果表明，产生的最大位移变形发生在机柜的吊环处，最大变形为1.4786 mm，零部件所受最大应力598 MPa，最大应力发生在吊环螺钉处，吊环会发生屈服现象。

3.4 四点起吊吊装工况分析

将计算的载荷和位移约束分别加载后，进行仿真计算，得到固定吊环工况下机柜的位移、应力云图分别如图4所示。

图4 四点对角起吊工况下位移和应力分析图

力学分析结果表明，产生的最大位移变形发生在机柜的两侧纵梁中间处，最大变形为0.6927 mm，零部件所受最大应力305.36 MPa，最大应力发生在吊环螺钉处，吊环会发生屈服现象。

3.5 静载工况分析

将计算的载荷和位移约束分别加载后，进行仿真计算，得到固定吊环工况下储能机柜的位移、应力云图分别如图5所示。endprint

图5 静载工况下位移和应力分析图

力学分析结果表明，产生的最大位移变形发生在机柜的两侧纵梁中间处，最大变形为0.6927 mm，零部件所受最大应力305.36 MPa，最大应力发生在吊环螺钉处，吊环会发生屈服现象。

4 试验验证

通过对上面四种不同工况进行应力和位移的分析，机柜存在吊环断裂和脱落的危险，机柜某些部位的强度也不够，存在破裂的潜在危险。针对上面的分析情况，分别进行了静载试验和吊装试验，按照机柜的实际载重量加工了试验配重，并将配重全部加载在机柜上，然后进行静载和吊装试验。经过试验验证，机柜在极端情况下出现了如图6所示的破坏状况。

采用四点起吊吊装工况试验时，机柜在静载和吊装试验均没有出现问题；采用两点起吊吊装工况试验时，机柜有吊环出现了断裂和脱落的现象，同时因为两点起吊吊装，机柜顶部的框架出现了脱焊的现象；机柜在正常四点吊装的试验下，吊装10次以上不存在任何问题。

图6 机柜吊环断裂及破坏情况

5 结束语

通过ANSYS软件对机柜进行不同工况下的有限元分析[4]，并根据实际的使用情况进行了试验验证，找出了机柜的潜在危险。经过分析试验结果，拟采用下述措施对机柜的薄弱环节进行优化和改进。

1）采用8.8级的高强度M12吊环螺钉，增强吊环螺钉的屈服强度。或增大吊环螺钉的规格，将吊环螺钉增大到M20，即可同时满足两点或四点吊装的要求。

2）由于机柜在安装了所有电气设备之后，重量过重（1.5T），因此可以放弃吊环螺钉吊装的方式，在机柜顶部安装前后吊装角钢进行吊装。

3）机柜框架的四角的应力较大，采用两点吊装方式时易加重应力集中而造成损坏。在框架焊接时，采用塞缝焊接方式并满焊，提高柜体连接角的强度；亦可以根据设计经验，通过加强筋板加固四角。

利用ANSYS软件进行有限元分析，获取准确的机柜应力和应变模型，并根据实际工况进行试验验证，验证ANSYS软件的分析结果，找出机柜的薄弱环节和潜在危害，并根据结果进行设计优化。通过有限元分析及样柜的试验验证，提高了机柜设计的准确性，为机柜的设计提供了可靠的依据。

参考文献

[1]朱云霄，黄平，郭胜军，等.电力二次设备用机柜框架的设计[J].电子机械工程2010，26（1）：31-34.

[2]王韵，黄春晓.基于模态分析的通信机柜结构设计[J].机械设计，2008，20（12）：135-136.

[3]刘衍平，张刘斗，等.电子设备机柜结构的模态分析[C].张家界：第26届中国控制会议，2007：464-467.

[4]陈酋.电子机柜结构设计的方案优化[J].东南大学，2003：6-24.

作者简介

夏新涛（1957-），男，教授，博士，河南科技大学机电程学院轴承研究所所长。endprint