CN111198086B - 一种应用于多级串联储能模块的振动测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高电压设备振动测试方法，由于现有技术中高电压设备的结构安全性验证，多是在设备总装集成完成后再整机开展振动试验进行验证，造成无法及早发现单个储能模块设计缺陷、试验成本高，以及不符合单机产品研发流程，同时，现有的利用仿真验证替代整机振动试验的方法可靠性不足，为解决上述技术问题，提供一种应用于多级串联储能模块的振动测试方法。针对多级串联储能模块，在不进行整机试验的条件下，先通过建模仿真获得振动测试的相关参数，再分别对单个储能模块进行测试，能够在单个储能模块的研制阶段全面的对其结构强度和内部元器件连接稳定性进行考核，缩短了储能模块的研制周期，且降低了试验成本。

Description

一种应用于多级串联储能模块的振动测试方法

技术领域

本发明属于高电压设备振动测试方法，具体涉及一种应用于多级串联储能模块的振动测试方法。

背景技术

如图1所示，在某些高电压设备中，多个储能模块串联位于设备的圆柱状外筒04中心轴线处，其中首部模块03通过首部基座02与外筒04一端的挡板01连接，尾部模块06通过尾部基座07与外筒04另一端端的挡板01连接，其余储能模块与首部模块03和尾部模块06相互串联叠加连接。该类高电压设备中，储能模块采用两端支撑、中部悬空的连接方式，因此中部悬空部分的储能模块是整个高电压设备的结构力学薄弱部分，尤其是中部模块05。

这种高电压设备在实际应用前，需根据高压设备力学薄弱点和具体使用环境条件的要求，进行振动试验，以验证多级串联储能模块的结构能否承受使用环境，包括总装和运输等所要求的动力学条件。一般情况下，是在设备总装集成完成后，对整机开展正弦振动试验以验证设备，尤其是多级串联储能模块的结构安全性。

上述通用振动试验方法的优点是可以对设备，包括多级串联储能模块的结构进行全面考核，但存在如下不足：(1)必须在设备所属零部件，包括多个储能模块均齐备，且完全组装完毕后才能开展试验，不能在单个储能模块设计加工完成后开展试验，因此不能在早期进行试验，及时发现储能模块的设计缺陷；(2)储能模块是整个设备的核心部组件，多个储能模块全部投产完毕再进行试验，若结构出现安全性问题，所有储能模块均不可用，试验成本较高；(3)这种方式将整体试验定位为考核和验证双重性质，不符合单机产品研发流程，储能模块作为一个完整单机，一般对单个储能模块就应该进行单机考核试验，后续整体试验仅作为验证性质。

授权公告号为CN 102567575 B的中国发明专利公开了一种航天器虚拟正弦振动试验方法，该方法虽考虑了航天器真实振动试验的所有关键环节，且利用该方法在理论上可以替代真实整星正弦振动试验，能够节省试验成本，但，仅是一种仿真的振动测试，测试结果的可靠性有待提高。

发明内容

本发明的主要目的是解决现有技术中高电压设备的结构安全性验证，多是在设备总装集成完成后再整机开展振动试验进行验证，造成无法及早发现单个储能模块设计缺陷、试验成本高，以及不符合单机产品研发流程，同时，现有的利用仿真验证替代整机振动试验的方法可靠性不足的技术问题，提供一种应用于多级串联储能模块的振动测试方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种应用于多级串联储能模块的振动测试方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

S1，建模

建立高电压设备的整机有限元模型，其中相邻储能模块之间的螺钉连接处、首部储能模块与首部基座之间的螺钉连接处、尾部储能模块与尾部基座之间的螺钉连接处均按梁单元建模；

S2，进行高电压设备整机正弦振动仿真

S2.1，根据高电压设备工作环境动力学条件，设定连接于高电压设备两端的首部基座中心处和尾部基座中心处的正弦振动起始频率ω₀、正弦振动终止频率ω_t和系统阻尼比ξ；

S2.2，进行径向正弦振动仿真，比较得到首部储能模块、尾部储能模块和中部储能模块中的最大径向响应加速度值a_m，以及对应的一阶频率ω_m；

S2.3，得到首部储能模块与首部基座所有梁单元在一阶频率ω_m下的最大轴力f_z、最大剪力f_τ和相对模块中心的弯矩M_s；

S2.4，得到尾部储能模块与尾部基座所有梁单元在一阶频率ω_m下的最大轴力f_z′、最大剪力f_τ′和相对模块中心的弯矩M_s′；

S2.5，分别比较步骤S2.3和步骤S2.4中的M_s和M_s′，取M_s和M_s′中的较大值带入M，计算弯矩M等效的当量轴压载荷f_s：

其中，n为梁单元数，若M_s＞M_s′，则为首部储能模块与首部基座之间的梁单元数；若M_s＜M_s′，则为尾部储能模块与尾部基座之间的梁单元数；R为n对应的储能模块与相应基座连接处螺钉分度圆的半径；

S2.6，进行轴向正弦振动仿真，得到所有储能模块中的轴向最大响应加速度a_m′、对应的一阶频率值ω_m′和最大轴力f_z″′；

S2.7，得到相邻储能模块之间梁单元的最大轴力f_z″、最大剪力f_τ″及最大弯矩M_s″，计算弯矩M_s″等效的当量轴压载荷f_s″，

其中，n′为相邻储能模块之间的梁单元数，R′为相邻储能模块之间连接螺钉的分度圆半径；

S3，得到高电压设备梁单元受到的最大轴向载荷和径向剪力，即轴力最大值和剪力最大值

S3.1，比较f_z、f_z′、f_s、f_z″′和f_s″，取其中最大值作为轴力最大值；

S3.2，比较f_τ、f_τ′和f_τ″，取其中最大值作为剪力最大值；

S4，进行单个储能模块结构测试

S4.1，在单个储能模块的上方安装配重块，配重块的质量为

其中，k为系统弹性系数；

S4.2，将装有配重块的储能模块通过法兰盘安装于振动测试台上；

S4.3，进行振动测试，测试时使储能模块与法兰盘连接处达到轴力最大值和剪力最大值；

S5，进行单个储能模块内部连接关系测试

S5.1，设计制作L型安装板，所述L型安装板包括竖直部分和水平部分，L型安装板的竖直部分和水平部分之间设有三角形支撑板；

S5.2，将单个储能模块安装于L型安装板的竖直部分，将L型安装板的水平部分安装于振动测试台上；

S5.3，对单个储能模块分别进行全频段加速度值为a_m的径向振动测试和全频段加速度值为a_m′的轴向振动测试；

S6，若储能模块在步骤S4.3中的轴力最大值和剪力最大值下未发生损坏，且在步骤5.3中的径向振动测试和轴向振动测试下内部连接关系未发生损坏，则储能模块设计达标；否则，调整储能模块的设计，再次进行测试。

进一步地，步骤S1中，所述建立高电压设备的整机有限元模型，是通过Msc.Patran软件进行建模。

进一步地，所述步骤S2.1具体为，根据高电压设备工作环境动力学条件，利用MSC.Nastran软件设置正弦振动输入控制点，分别为高电压设备两端连接的首部基座和尾部基座中心处，再设定正弦振动起始频率ω₀、正弦振动终止频率ω_t和系统阻尼比ξ。

进一步地，步骤S4.3中，所述测试时使储能模块与法兰盘连接处达到轴力最大值和剪力最大值具体为；

S4.3.1，建立单个储能模块结构测试模型，其中，储能模块与法兰盘的螺钉连接处为梁单元；

S4.3.2，进行径向扫频仿真，获得初始扫频量级，并获取初始扫频量级下储能模块与法兰盘之间梁单元上所受的轴力和弯矩；

S4.3.3，根据初始扫频量级线性推测得到a_H，调整扫频量级至a_H，或逐步调整扫频量级至a_H，使对应的储能模块与法兰盘之间梁单元上所受的轴力

与剪力

分别达到轴力最大值和剪力最大值；其中

为扫频量级a_H下对应储能模块与法兰盘之间梁单元上所受最大弯矩，n″为储能模块与法兰盘之间梁单元数量，R″为储能模块与法兰盘之间连接螺钉的分度圆半径；a_H为储能模块与法兰盘之间梁单元上所受的轴力

与剪力

达到轴力最大值和剪力最大值时对应的扫频量级。

进一步地，步骤S4.3.2中还包括，先扫频仿真求取对应的一阶频率，判断是否在ω_m±5％ω_m范围内，若在范围内，继续振动测试；否则，调整配重块的质量后，再重新进行振动测试，直至其落入范围内。

进一步地，步骤S4.3.2中，所述初始扫频量级为0.1g。

进一步地，步骤S4.1中，系统弹性系数k为常数，取值为10e⁵量级。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明的振动测试方法，针对多级串联储能模块，在不进行整机试验的条件下，先通过建模仿真获得振动测试的相关参数，再分别对单个储能模块进行测试，能够在单个储能模块的研制阶段全面的对其结构强度和内部元器件连接稳定性进行考核，缩短了储能模块的研制周期，且降低了试验成本。在对单个储能模块的结构强度进行测试时，仅通过对加配重的单个模块进行径向振动试验，即可等效考核多级串联储能模块整机振动时单个模块上的最大承载能力。单个储能模块的内部元器件连接稳定性考核，通过设计L型安装板将储能模块安装于振动试验平台上，既可以进行轴向振动试验，也可以进行径向振动试验，可在全频段最大加速度下考核单个储能模块内部元器件之间的连接稳定性，全面等效考核多级串联储能模块整机振动时单个模块上最大加速度对模块内部元器件连接关系稳定性的影响。上述考核方法简单易行，结果准确可靠。

2.本发明使用Msc.Patran软件进行建模，采用MSC.Nastran软件输入正弦振动的控制点，以高电压设备两端的首尾基座中心处作为控制点，通过相关软件准确控制，因为实际中储能模块的连接均是通过首尾模块与高电压主结构连接，振动输入也通过首尾模块施加，因此，通过首尾模块与基座连接处螺钉施加，可以等效为中心点加权平均，更加符合实际振动环境。

3.本发明对单个储能模块进行结构测试时，扫频0.1g，提取该频率下的弯矩和径向剪力，在满足轴力和剪力要求的情况下推算扫频量级，操作简易。

附图说明

图1为高电压设备中多级串联储能模块的结构示意图；

图1中：01-挡板、02-首部基座、03-首部模块、04-外筒、05-中部模块、06-尾部模块、07-尾部基座。

图2为本发明中所测试储能模块的结构示意图；

图3为本发明中单个储能模块结构测试的装配示意图；

图4为本发明中单个储能模块内部连接关系测试的装配示意图；

图5为本发明的流程示意图；

图2至图4中：1-储能模块、2-配重块、3-法兰盘、4-L型安装板。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。

如图2至图4，本发明的振动测试方法，首先需要构建高电压设备整机有限元模型，在此过程中单个储能模块1之间的螺钉按梁单元建模；然后进行整机径向及轴向振动仿真；在此基础上比较得出相邻储能模块1间连接螺钉上所受的最大轴向载荷及径向剪力，根据此结果设计加配重方式的单个储能模块1结构考核，验证单个储能模块1的结构安全性；最后在轴向及径向仿真过程中比较得出储能模块1上所受最大轴向及径向加速度值，根据此加速度值设计L型安装板4进行单个储能模块1内部连接关系考核，验证单个储能模块1内部元器件之间的连接关系安全性。

本发明的应用对象为高电压设备，由12级串联储能模块1通过首部基座、尾部基座与外筒的挡板连接，12级串联储能模块1位于高电压设备外筒的中心轴线处，与外筒同轴，12级串联储能模块1呈现两端支撑，中部悬空的方式，因此12级串联储能模块1为整个装置的薄弱环节。在整机进行轴向振动试验时，振动激励通过两端基座施加于12级串联储能模块，各个模块间轴向及径向可能存在不同量级的加速度响应；在整机进行径向试验时，12级串联储能模块1中第6和第7级作为中部模块可能存在较大的径向加速度响应，这对于首部模块及尾部模块的连接结构安全性是一个挑战。

如图5，基于高电压设备内部多级串联储能模块的上述连接结构，本发明所提出的振动试验方法的具体实施按照如下步骤：

(1)利用Msc.Patran软件建立高电压设备的整机有限元模型，在此过程中储能模块之间的螺钉连接处、首部储能模块1与首部基座之间的螺钉连接处和尾部储能模块1与尾部基座之间的螺钉连接处均按梁单元建模；

(2)进行高电压设备整机径向正弦振动仿真

由于高电压设备是一个圆周对称结构，因此进行径向振动仿真；利用Msc.Nastran软件设置正弦振动输入控制点，分别为高电压设备两端挡板连接的首部基座和尾部基座中心处；

设置正弦振动全频段加速度输入值为6g，正弦振动起始频率ω₀＝5Hz、正弦振动终止频率ω_t＝200Hz、系统阻尼比ξ＝0.03；进行径向正弦振动仿真，记录并比较12级储能模块1外圆处的径向加速度响应，得到最大径向响应加速度值a_m发生在中部第6级或第7级储能模块1处，响应值记录为a_m≈24g，对应一阶频率记录为ω_m≈80Hz；

记录并比较所有储能模块1连接梁单元处的最大轴力、最大剪力及梁单元相对模块中心的弯矩，得到上述三个参数均为首部模块对应的值最大，即在一阶频率ω_m下最大轴力为f_z，最大剪力为f_τ，相对模块中心处的最大弯矩为M_s，将M_s代入下式中的M：

其中，n为梁单元数，R为首部储能模块1与首部基座连接处螺钉分度圆的半径。

计算出最大弯矩M_s对应的当量轴压载荷f_s；同时比较最大轴力f_z与当量轴压载荷f_s，取其中的较大值作为后续设计的依据；

(3)进行高电压设备整机轴向正弦振动仿真

进行轴向振动仿真，利用Msc.Nastran软件设置正弦振动输入控制点，分别为连接在高电压设备两端挡板上的首部基座和尾部基座中心处；

设置正弦振动全频段加速度输入值为6g，起始频率ω₀＝5Hz、终止频率ω_t＝200Hz及系统阻尼比ξ＝0.03；记录并比较12级模块外圆处的轴向加速度响应，得到轴向最大响应加速度值记录为a_m′，对应的一阶频率记录为ω_m′，最大轴力为f_z″′；

记录并比较所有储能模块连接梁单元处的最大轴力、最大剪力及梁单元相对模块中心的弯矩，最大值发生在频率值ω_m′下，最大轴力为f_z″，最大剪力为f_τ″，最大弯矩为M_s″；根据下式：

其中，n′为相邻储能模块1之间的梁单元数，R′为相邻储能模块1之间连接螺钉的分度圆半径。

计算得到最大弯矩M_s″对应的当量轴压载荷f_s″；同时比较最大轴力f_z″与当量轴压载荷f_s″，取其中的较大值作为后续设计的依据；

(4)比较得出整机径向及轴向正弦振动仿真过程中梁单元上所受最大轴向载荷及径向剪力

比较第三步中模块之间梁单元轴向最大力与径向最大力，记录对应的频率值，作为后续设计的依据；得到轴向作用力的最大力为当量轴压载荷f_s，其对应频率为ω_m，对应的弯矩为M_s；径向方向作用力的最大力为径向剪力f_τ，对应频率也为ω_m；

(5)比较得出整机径向及轴向正弦振动仿真过程中储能模块上最大轴向及径向加速度值

得出整机所有储能模块1径向振动时的最大径向加速度值为a_m；整机所有模块轴向振动时的最大轴向加速度值为a_m′；

(6)进行单个储能模块结构考核试验

根据第(4)步得到的最大轴压载荷f_s、最大弯矩为M_s、最大径向剪力f_τ，设计单模块结构单端激励考核试验。如图3所示，该试验将一个配重块2安装于一个储能模块1上方，然后将安装有配重块2的储能模块1通过法兰盘3固定安装于振动测试平台上进行径向，即图中ox方向的水平振动测试，使单个储能模块1在此振动模式下可以实现一阶频率为ω_m，并使单个储能模块与法兰盘3连接螺钉处达到最大弯矩M_s及最大径向剪力f_τ；

配重块2的质量m可按式

计算，其中k为系统弹性系数，一般可采用该试验方式动力学仿真的方式进行评估选取。

建立单模块结构单端激励考核试验系统的有限元模型，储能模块1与法兰盘3的螺钉连接为梁单元，然后进行径向，即图3中ox方向扫频仿真，先扫频0.1g，验证对应的一阶频率是否在ω_m±5％ω_m范围内，若不在可调整配重块2的质量，直至其落入范围内，即仿真求取在一阶频率为ω_m时配重块2的具体值，并提取此频率此量级下的弯矩

及径向剪力

按比例推算出单模块结构单端激励考核试验应达到的扫频量级为a_H，或逐步增大扫频量级，直至使

和

分别大于等于剪力最大值和轴力最大值，此时的扫频量级记做a_H；其中，

和

分别为扫频量级a_H下对应储能模块1与法兰盘3之间梁单元上所受最大剪力和最大弯矩。完成对单个储能模块1的结构考核试验；

(7)进行单个储能模块1内部连接关系考核试验

′

根据第五步得出的整机振动时的最大径向加速度a_m及轴向加速度值a_m，设计如图4所示的L型安装板4，其中L型安装板4的水平部分安装在振动试验平台上，L型安装板4的竖直部分上安装单个储能模块1；利用此L型安装板4对单个储能模块1进行全频段加速度值a_m的径向振动，即ox方向，在此基础上完成对单个储能模块1的全频段加速度值a_m′的轴向振动，即oz方向，可以在单个储能模块1研制阶段实现对模块内部元器件间连接结构稳定性的考核。

若经上述测试，单个储能模块1在结构测试中，在最大剪力和最大弯矩下连接结构未发生损坏，且在内部连接关系测试中的轴向振动和径向振动测试下，内部元器件连接关系未发生损坏，则单个储能模块1通过测试，设计良好，若其中任一项或两项未通过测试，则说明该储能模块1的设计还需改进，能够及时发现设计缺陷，有效降低研发和生产成本。

以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种应用于多级串联储能模块的振动测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，建模

建立高电压设备的整机有限元模型，其中相邻储能模块(1)之间的螺钉连接处、首部储能模块(1)与首部基座之间的螺钉连接处、尾部储能模块(1)与尾部基座之间的螺钉连接处均按梁单元建模；

S2，进行高电压设备整机正弦振动仿真

S2.1，根据高电压设备工作环境动力学条件，设定连接于高电压设备两端的首部基座中心处和尾部基座中心处的正弦振动起始频率ω₀、正弦振动终止频率ω_t和系统阻尼比ξ；

S2.2，进行径向正弦振动仿真，比较得到首部储能模块(1)、尾部储能模块(1)和中部储能模块(1)中的最大径向响应加速度值a_m，以及对应的一阶频率ω_m；

S2.3，得到首部储能模块(1)与首部基座所有梁单元在一阶频率ω_m下的最大轴力f_z、最大剪力f_τ和相对模块中心的弯矩M_s；

S2.4，得到尾部储能模块(1)与尾部基座所有梁单元在一阶频率ω_m下的最大轴力f_z′、最大剪力f_τ′和相对模块中心的弯矩M_s′；

S2.5，分别比较步骤S2.3和步骤S2.4中的M_s和M_s′，取M_s和M_s′中的较大值带入M，计算弯矩M等效的当量轴压载荷f_s：

其中，n为梁单元数，若M_s＞M_s′，则为首部储能模块(1)与首部基座之间的梁单元数；若M_s＜M_s′，则为尾部储能模块(1)与尾部基座之间的梁单元数；R为n对应的储能模块(1)与相应基座连接处螺钉分度圆的半径；

S2.6，进行轴向正弦振动仿真，得到所有储能模块(1)中的轴向最大响应加速度a_m′、对应的一阶频率值ω_m′和最大轴力f_z″′；

S2.7，得到相邻储能模块(1)之间梁单元的最大轴力f_z″、最大剪力f_τ″及最大弯矩M_s″，计算弯矩M_s″等效的当量轴压载荷f_s″，

其中，n′为相邻储能模块(1)之间的梁单元数，R′为相邻储能模块(1)之间连接螺钉的分度圆半径；

S3，得到高电压设备梁单元受到的最大轴向载荷和径向剪力，即轴力最大值和剪力最大值

S3.1，比较f_z、f_z′、f_s、f_z″′和f_s″，取其中最大值作为轴力最大值；

S3.2，比较f_τ、f_τ′和f_τ″，取其中最大值作为剪力最大值；

S4，进行单个储能模块(1)结构测试

S4.1，在单个储能模块(1)的上方安装配重块(2)，配重块(2)的质量为

其中，k为系统弹性系数；

S4.2，将装有配重块的储能模块(1)通过法兰盘(3)安装于振动测试台上；

S4.3，进行振动测试

S4.3.1，建立单个储能模块(1)结构测试模型，其中，储能模块(1)与法兰盘(3)的螺钉连接处为梁单元；

S4.3.2，进行径向扫频仿真，获得初始扫频量级，并获取初始扫频量级下储能模块(1)与法兰盘(3)之间梁单元上所受的剪力和弯矩；

S4.3.3，根据初始扫频量级线性推测得到a_H，调整扫频量级至a_H，或逐步调整扫频量级至a_H，使对应的储能模块(1)与法兰盘(3)之间梁单元上所受的轴力

与剪力

分别达到轴力最大值和剪力最大值；其中

为扫频量级a_H下对应储能模块(1)与法兰盘(3)之间梁单元上所受最大弯矩，n”为储能模块(1)与法兰盘(3)之间梁单元数量，R”为储能模块(1)与法兰盘(3)之间连接螺钉的分度圆半径；a_H为储能模块(1)与法兰盘(3)之间梁单元上所受的轴力

与剪力

达到轴力最大值和剪力最大值时对应的扫频量级；

S5，进行单个储能模块(1)内部连接关系测试

S5.1，设计制作L型安装板(4)，所述L型安装板(4)包括竖直部分和水平部分，L型安装板(4)的竖直部分和水平部分之间设有三角形支撑板；

S5.2，将单个储能模块(1)安装于L型安装板(4)的竖直部分，将L型安装板(4)的水平部分安装于振动测试台上；

S5.3，对单个储能模块(1)分别进行全频段加速度值为a_m的径向振动测试和全频段加速度值为a_m′的轴向振动测试；

S6，若储能模块在步骤S4.3中的轴力最大值和剪力最大值下未发生损坏，且在步骤5.3中的径向振动测试和轴向振动测试下内部连接关系未发生损坏，则储能模块设计达标；否则，调整储能模块的设计，再次进行测试。

2.如权利要求1所述一种应用于多级串联储能模块的振动测试方法，其特征在于，步骤S1中，所述建立高电压设备的整机有限元模型，是通过Msc.Patran软件进行建模。

3.如权利要求2所述一种应用于多级串联储能模块的振动测试方法，其特征在于，所述步骤S2.1具体为，根据高电压设备工作环境动力学条件，利用MSC.Nastran软件设置正弦振动输入控制点，分别为高电压设备两端连接的首部基座和尾部基座中心处，再设定正弦振动起始频率ω₀、正弦振动终止频率ω_t和系统阻尼比ξ。

4.如权利要求3所述一种应用于多级串联储能模块的振动测试方法，其特征在于，步骤S4.3.2中还包括，先扫频仿真求取对应的一阶频率，判断是否在ω_m±5％ω_m范围内，若在范围内，继续振动测试；否则，调整配重块(2)的质量后，再重新进行振动测试，直至其落入范围内。

5.如权利要求3所述一种应用于多级串联储能模块的振动测试方法，其特征在于，步骤S4.3.2中，所述初始扫频量级为0.1g。

6.如权利要求5所述一种应用于多级串联储能模块的振动测试方法，其特征在于，步骤S4.1中，系统弹性系数k为常数，取值为10e⁵量级。

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