丁先威，趙建華,計 晨，馮麟涵

(1.海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院， 湖北 武漢 400033； 2.中國人民解放軍92537部隊， 北京 100161)

隨著新型大功率電力電子器件的快速發(fā)展、電能變換和區(qū)域供配電等理論與技術(shù)不斷成熟，電力推進(jìn)、新型定向能(激光、離子束、微波束)武器等概念不斷被提出，乃至已經(jīng)或即將進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。歐美強國已引領(lǐng)新一代船舶技術(shù)革命向全電氣化發(fā)展，并將綜合電力技術(shù)應(yīng)用于新一代艦艇。船舶綜合電力系統(tǒng)(Integrated Power system，IPS)具備以下優(yōu)勢[1-3]：① 隔斷主要機械振動噪聲，增強隱身性；② 功率密度高，布置靈活，節(jié)約空間；③ 降低燃油裝載量及補給需求，提高續(xù)航能力；④ 為高能武器上艦提供平臺，提高戰(zhàn)斗力。歐美強國已引領(lǐng)新一代船舶技術(shù)革命向全電氣化發(fā)展，并將綜合電力技術(shù)應(yīng)用于新一代艦艇。目前，我國在船舶電力系統(tǒng)的理論研究與技術(shù)積累，尤其是在電力集成技術(shù)與發(fā)電模塊技術(shù)方面的領(lǐng)先優(yōu)勢，為船舶電氣化趕超西方發(fā)達(dá)國家先進(jìn)技術(shù)奠定了基礎(chǔ)[4]。艦船必須考慮抗沖擊性能，而船舶綜合電力系統(tǒng)使用了很多新型電力電子元器件和電氣設(shè)備，亟需對其抗沖擊性能進(jìn)行檢驗與考核。

1 船舶綜合電力系統(tǒng)的組成及其抗沖擊特性分析

船舶電力系統(tǒng)可以簡單分為發(fā)電、配電、輸電、用電4個部分，美國的綜合電力系統(tǒng)如圖1所示，細(xì)分為7個部分：發(fā)電、儲能、變電、推進(jìn)電力、配電、電力控制管理及平臺負(fù)載，并相對應(yīng)地對這7個部分進(jìn)行模塊化開發(fā)與設(shè)計。涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要有：高功率密度的交流或直流發(fā)電模塊技術(shù)、智能化管理的環(huán)形電網(wǎng)區(qū)域輸配電及監(jiān)控管理技術(shù)、電力推進(jìn)(永磁或電勵磁)電動機及變頻調(diào)速技術(shù)、大容量電能的靜止變換技術(shù)、獨立電力系統(tǒng)的電磁兼容技術(shù)、電力集成技術(shù)[5]。

圖1 綜合電力系統(tǒng)組成框圖

從硬件組成上來看，艦船綜合電力系統(tǒng)主要包括：電容、電感、印刷電路板、IGBT模塊等電力電子元器件；發(fā)電機組和蓄電池等電源裝置；母線、空氣開關(guān)、接觸器、熔斷器、繼電器、斷路器、整流器、變壓器、逆變器等構(gòu)成電網(wǎng)的電氣設(shè)備及各種用電負(fù)載。為滿足綜合電力系統(tǒng)嚴(yán)格的技術(shù)性能指標(biāo)要求，這些電力電子元器件和電氣設(shè)備，大多采用了新的結(jié)構(gòu)設(shè)計、新型材料、封裝技術(shù)、連接技術(shù)，并朝著自動化、智能化、高功率密度、高度集成等方向發(fā)展[5-6]。因此，對艦船綜合電力系統(tǒng)進(jìn)行抗沖擊性能研究，必須先站在系統(tǒng)的高度，對系統(tǒng)的硬件構(gòu)成要素進(jìn)行分門別類的梳理；必須分別根據(jù)各硬件的結(jié)構(gòu)、材料、功能等特性從不同的角度、采用相應(yīng)的方法。

2 船舶綜合電力系統(tǒng)抗沖擊研究現(xiàn)狀

與傳統(tǒng)機械設(shè)備相比，綜合電力系統(tǒng)所涉及的電力電子元器件、電氣設(shè)備更多，其功能的實現(xiàn)往往涉及力、電、熱、磁等許多交叉學(xué)科，因而沖擊環(huán)境下其失效模式、機理更加復(fù)雜，且國外相關(guān)具體的研究文獻(xiàn)可查閱到的很少。

2.1 電力電子元器件的抗沖擊性能研究

對于電力電子元器件，焊點與封裝、連接方式是影響其抗沖擊性能的重要因素。對于其抗沖擊性能，主要從3個方面進(jìn)行，一是從微觀角度跌落試驗探討了用于安裝在母板上的細(xì)間距球柵陣列(BGA)部件的焊點材料Sn-Ag-Cu(SAC)，其不同的銀含量對抗沖擊性能的影響[7-8]。二是將BGA組件分別簡化成彈簧—質(zhì)量塊、梁和平板3種模型，分析其沖擊載荷下的動力學(xué)特性，并采用有限元法與解析法相結(jié)合的方法研究其結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料特性等因素對焊點應(yīng)力的影響，并采用理論分析、有限元仿真和試驗相結(jié)合的方法，對芯片級尺寸封裝，進(jìn)行了模態(tài)分析，研究其沖擊載荷下的動態(tài)響應(yīng)以及焊料微互聯(lián)的斷裂特性、失效模式與機理[9-10]。三是對系統(tǒng)級封裝(SIP)的制造工藝、引線連接、可靠性和失效分析技術(shù)進(jìn)行了研究[11-12]。此外，文獻(xiàn)[13]還對一種海底適配的電氣連接器進(jìn)行水下爆炸沖擊試驗，重點介紹了對水下爆炸測試的理解、流程、監(jiān)測、驗收標(biāo)準(zhǔn)等試驗方面的注意點。

對于印刷電路板本身抗沖擊性能的研究，主要有通過對個人電腦主板的簡化建模、沖擊響應(yīng)譜(SRS)和隱式直接積分的運用，并在主板上進(jìn)行了編程沖擊脈沖和跌落臺測試，以驗證和理解有限元模擬的極限。結(jié)果表明，主板上多個位置的預(yù)測峰值響應(yīng)與沖擊載荷期間的測量結(jié)果吻合良好，SRS方法顯著預(yù)測了主板的響應(yīng)[14]。

絕緣柵雙極晶體管IGBT具有工作頻率高、處理功率大和驅(qū)動簡單等諸多優(yōu)點，是十分重要和有代表性的功率元器件,其失效或故障往往會造成嚴(yán)重事故和重大損失。目前其失效研究主要在電學(xué)和熱學(xué)方面[15-17]。在對功率IGBT的若干失效問題研究中，主要關(guān)注在高結(jié)溫的情況下，外部應(yīng)力沖擊對功率器件的影響[18]。

2.2 典型機電設(shè)備的抗沖擊性能研究

對于發(fā)電機組抗沖擊性能的研究，一是建立單自由度機組模型，分析其重點部位受力、速度、加速度情況，并對動力學(xué)分析法的優(yōu)缺點及適用條件進(jìn)行總結(jié)[19]。二是對建立浮法-原動機-發(fā)電機系統(tǒng)進(jìn)行整體有限元建模，用彈性體模擬原動機和發(fā)電機，進(jìn)行抗沖擊性能直接分析，并對比簡化塊體系統(tǒng)和電機系統(tǒng)的兩步分析法，指出其常導(dǎo)致嚴(yán)重欠分析[20]。

對于斷路器抗沖擊性能研究，主要有關(guān)于考核試驗安裝方向選擇中最嚴(yán)酷安裝狀態(tài)的分析選擇過程，艦用框架斷路器抗沖擊動力學(xué)仿真建模以及抗沖擊和防回彈設(shè)計等問題[21-24]。

在對變壓器、簧片式觸電開關(guān)的研究中，目前主要通過限元建模、模態(tài)分析進(jìn)行，如：利用ANSYS對某艦用變壓器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，通過抗沖擊載荷分析找出其在設(shè)定的100ms等效沖擊載荷下，底座與槽鋼連接處，繞組與線圈導(dǎo)線接觸部位出現(xiàn)最大應(yīng)力[25]；通過艦艇電氣設(shè)備中簧片式觸電開關(guān)沖擊響應(yīng)，指出了不同沖擊頻率、載荷對簧片根部應(yīng)力的影響，其中高頻沖擊載荷易引發(fā)誘發(fā)劇烈顫振而斷裂，低頻沖擊易使簧片根部應(yīng)力過大而變形[26]。

此外，文獻(xiàn)[27]進(jìn)行了分配電箱沖擊試驗與數(shù)值仿真，總結(jié)了分配電箱的抗沖擊規(guī)律，并分析箱體的三向加速度與試驗相比均略小于試驗結(jié)果的原因：箱體簡化建模未考慮螺栓連接和減振器的非線性影響。

以上研究主要存在以下不足：① 有限元的建模、模態(tài)分析只考慮了設(shè)備結(jié)構(gòu)上的問題，電氣設(shè)備實際使用過程中沖擊對電、磁等功能的影響無法分析；② 采用的沖擊條件比較簡單，無法模擬船舶真實遇到的大型系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性平臺的環(huán)境條件與其安裝環(huán)境平臺的真實嚴(yán)酷度值[28]；③ 以定性分析為主找出了一些影響因素和薄弱環(huán)節(jié)，并未給出精確的閾值或者至少在某一范圍內(nèi)電氣設(shè)備或者元器件是抗沖擊的。

2.3 系統(tǒng)層面的抗沖擊性能研究

對于系統(tǒng)所涉及的機箱電力電子設(shè)備、元器件，根據(jù)以往對電子設(shè)備大量的故障和失效統(tǒng)計證明：約15%的故障與振動與沖擊相關(guān)。隨著電子產(chǎn)品應(yīng)用越來越廣泛，運載速度越來越高，因振動與沖擊問題造成的故障和失效比例會越來越高，特別是在大型系統(tǒng)工程、大型機柜級電子設(shè)備上更明顯[29]。

對整個船舶電力系統(tǒng)的抗沖擊性能研究主要從生命力、可靠性角度，綜合運用層次分析法、熵權(quán)法、蒙卡特洛法、損傷樹法等統(tǒng)計與概率論和模糊數(shù)學(xué)理論去建立函數(shù)模型[30-35]，有一定的合理性與可行性，主要存在兩方面問題：① 函數(shù)模型較為簡單，對復(fù)雜的大型機柜、電力系統(tǒng)模擬不一定正確，也缺乏大量數(shù)據(jù)去驗證；② 由于所涉及的電力電子設(shè)備、元器件眾多，缺乏對每個設(shè)備特性的了解，所假定的參數(shù)不一定準(zhǔn)確。

3 船舶綜合電力系統(tǒng)抗沖擊性能考核與評價的思考

目前，美國的MIL—STD—901，德國的BV0430—85，我國的GJB150A—2009都對設(shè)備的抗沖擊性能考核的基本內(nèi)容、方法、注意點進(jìn)行相關(guān)規(guī)定，而對近年來涉及船舶綜合電力系統(tǒng)而快速發(fā)展的新型電力電子元器件和電氣設(shè)備的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)細(xì)則等尚需補充完善。

針對目前的船舶綜合電力系統(tǒng)抗沖擊研究現(xiàn)狀，對部分元器件、設(shè)備，結(jié)構(gòu)可以采取經(jīng)驗估算法、仿真模擬、理論計算進(jìn)行分析；對復(fù)雜和重要的元器件和電力電子設(shè)備必須采取沖擊試驗進(jìn)行檢驗,并注意以下5點：① 要檢驗元器件、電力電子設(shè)備本身的抗沖擊水平；② 要強調(diào)正常工作狀態(tài)時(通電)抗沖擊性能；③ 要考慮元器件、設(shè)備在整個系統(tǒng)中特別是與連接器及互相連接時的電性能指標(biāo)耦合關(guān)系；④ 不僅關(guān)注元器件、設(shè)備破壞、通斷與否，對電能質(zhì)量諸如頻率、波形等更多更復(fù)雜的電氣特性也要納入抗沖擊性能考核范圍；⑤ 運用無損檢測手段，如超聲波、電鏡、紅外成像技術(shù)對高度集成、封裝的元器件和電氣設(shè)備進(jìn)行檢測，以發(fā)現(xiàn)諸如內(nèi)部散熱層細(xì)微變形、裂紋這類損壞隱患。

4 結(jié)論

船舶綜合電力系統(tǒng)抗沖擊性能研究是一個基礎(chǔ)性、系統(tǒng)性和長期性工程，涉及電、熱、力、材料、封裝等交叉學(xué)科，必須站在整個系統(tǒng)層面，對組成系統(tǒng)的硬件要素按照各自的結(jié)構(gòu)、材料、功能和電氣特性分別進(jìn)行檢驗與考核。要注意通過抗沖擊試驗摸清重要電力電子元器件、電氣設(shè)備等的薄弱環(huán)節(jié)與沖擊閾值或至少某一安全范圍；試驗要盡量反映真實的環(huán)境平臺，不僅關(guān)注結(jié)構(gòu)上的破壞，也要考慮對其功能、電氣性能的影響；對于采用新技術(shù)的電氣設(shè)備以及快速發(fā)展的電力電子元器件其抗沖擊性能研究也要及時跟進(jìn)。

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