張愛華

摘 要：電子機柜是電子設(shè)備發(fā)揮功能的基礎(chǔ)保障，其性能影響著電子設(shè)備能否正常有效的發(fā)揮自身作用。文章在分析現(xiàn)在電子機柜的設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，利用靈敏度分析和ANSYS軟件對電子機柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了一定的優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：電子機柜；結(jié)構(gòu)設(shè)計；靈敏度分析；ANSYS軟件；方案優(yōu)化

引言

現(xiàn)在社會的發(fā)展越來越依賴于電子技術(shù)，對電子系統(tǒng)的集成化要求也越來越高。因此，為了滿足現(xiàn)代社會對電子系統(tǒng)的高度集成化的需求，柜式結(jié)構(gòu)開始廣泛的在電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計中出現(xiàn)，我們稱這種電子系統(tǒng)集成的柜式結(jié)構(gòu)為電子機柜，其中，常見的電子機柜主要有控制柜、高壓開關(guān)柜、低壓開關(guān)柜、配電箱、電池柜（UPS）、配線架、理線器以及機柜鎖等。電子機柜是電子元器件的載體，電子機柜結(jié)構(gòu)的機械性能會對電信號的傳輸以及電子系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生直接的影響。在現(xiàn)在電子機柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，新型的高阻尼、高強度材料被廣泛使用，學(xué)者也開始致力于研究機柜結(jié)構(gòu)的組裝技術(shù)和方法。與此同時，在結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計階段普遍應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計方法對機柜結(jié)構(gòu)進行機械動態(tài)設(shè)計和優(yōu)化。從二十世紀(jì)八十年代中期以來，我國電子設(shè)備的研制在經(jīng)歷了引進、仿制和消化階段之后，也紛紛采用高科技設(shè)計手段。許多科研院所和機構(gòu)單位開始改善傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法，近期，現(xiàn)代設(shè)計方法在機柜結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用也取得了不少的成果。

電子機柜是電子設(shè)備發(fā)揮功能的基礎(chǔ)保障，在電子機柜設(shè)計過程中，雖然已經(jīng)考慮了結(jié)構(gòu)件及相互連接的強度要求，但是由于在車輛、船艦等運載工具中，在振動和沖擊等動態(tài)機械力的作用下，也會很容易導(dǎo)致電子機柜發(fā)生較大的變形以及對振動沖擊的放大，進而對由機柜支撐的電子元器件及電路的工作穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

1 現(xiàn)代設(shè)計方法在機柜結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

現(xiàn)代設(shè)計中的一個重要分支是現(xiàn)代動態(tài)設(shè)計方法，它是一門迅速發(fā)展中的新興技術(shù)，該方法涉及了動態(tài)分析理論、計算機技術(shù)、產(chǎn)品設(shè)計理論、系統(tǒng)科學(xué)方法和體系。這種方法最大的優(yōu)點是在設(shè)計的階段就可以確定機械結(jié)構(gòu)的靜、動態(tài)性能，進而就可以主動地控制結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性。確定系統(tǒng)輸入、系統(tǒng)輸出、系統(tǒng)特性三者之間的關(guān)系是現(xiàn)代動態(tài)設(shè)計的一個最主要任務(wù)，其設(shè)計過程主要有以下幾個步驟：首先對結(jié)構(gòu)的動力學(xué)模型進行構(gòu)建，然后開始分析結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，最后，根據(jù)結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性要求，修改結(jié)構(gòu)，直至滿足設(shè)計要求。

應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計方法對機柜進行優(yōu)化設(shè)計普遍所采用的手段就是應(yīng)用大型有限元分析軟件，通過構(gòu)建機柜的有限元模型，對機柜的動態(tài)特征和靜態(tài)特征進行分析，從而實現(xiàn)電子機柜的優(yōu)化設(shè)計。其中，有限單元法（FEM，F(xiàn)inite Element Method）是在力學(xué)模型上近似的數(shù)值方法，將被分析的結(jié)構(gòu)直接離散化，使用最小位能原理或虛位移原理等力學(xué)基本理論求解。

不可忽視的是，電子機柜因惡劣的機械環(huán)境而發(fā)生運行故障的情況是很難避免的，這就要求我們在設(shè)計過程中對其結(jié)構(gòu)的原始設(shè)計方案進行一定的修改，以電子機柜的結(jié)構(gòu)能適應(yīng)將來面臨的惡劣的機械環(huán)境。如果結(jié)構(gòu)修改發(fā)生在方案設(shè)計階段，則對改善和提離結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性可收到事半功倍的效果。隨著條件的改善，不少機柜結(jié)構(gòu)已紛紛采用了模態(tài)分析來反應(yīng)機柜的動態(tài)特性，為機柜的結(jié)構(gòu)修改提供依據(jù)。

現(xiàn)在設(shè)計中，多數(shù)的設(shè)計者選擇對電子機柜的結(jié)構(gòu)動態(tài)特性影響最靈敏的變量作為調(diào)整的主參數(shù)對其結(jié)構(gòu)性能進行優(yōu)化，這會較大程度地改善其動態(tài)特性，有較為重要的實踐意義。在交互式計算機輔助設(shè)計中，結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師可以直接利用靈敏度的信息來改進結(jié)構(gòu)的設(shè)計。機構(gòu)模態(tài)的靈敏度分析主要包括系統(tǒng)特征值的靈敏度分析和特征向量的靈敏度分析。文章通過利用靈敏度分析找出需要調(diào)整的參數(shù)，使用ANSYS軟件進行模擬優(yōu)化。

2 電子機柜結(jié)構(gòu)設(shè)計的方案優(yōu)化

本部分利用靈敏度分析的方法確定電子機柜結(jié)構(gòu)設(shè)計的方案靈敏度較高的參數(shù)。按照靈敏度分析結(jié)果，并針對具體情況，找出改進電子機柜動態(tài)性能的參數(shù)，可以得到以下具有指導(dǎo)意義的結(jié)論：（1）如果以結(jié)構(gòu)低階頻率的提高作為目標(biāo)函數(shù)，那么應(yīng)以該階振型的具有較大幅值差的兩自由度之間的連接剛度作為設(shè)計變量；（2）以結(jié)構(gòu)振型的幅值作為目標(biāo)函數(shù)，應(yīng)以該階振型的腹點處的質(zhì)量分布為設(shè)計變量。

基于以上兩點結(jié)論，文章通過使用ANSYS軟件對電子機柜進行構(gòu)建模型，由模態(tài)分析可以發(fā)現(xiàn)機柜的低階固有頻率，主要是因為機柜的側(cè)板的扭轉(zhuǎn)和彎曲造成的，無加強筋側(cè)板的低階振型在板中部的位置的幅值差最大。由上面的結(jié)論可知，要想有效的改善機柜整體的動態(tài)性能，可以通過提高側(cè)板薄弱環(huán)節(jié)的剛度來實現(xiàn)，而采用加強筋則是一種提高側(cè)板剛度的簡單有效的方法?；谝陨戏治?，模型在板的中間部分布置了加強筋，于是，電子機柜側(cè)板的剛度得到了明顯的加強；同樣的道理，按照以上的分析結(jié)論，并進一步分析電子機柜的模態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)如果將一樣多的材料細分為兩根較小的加強筋布置在側(cè)板兩側(cè)的位置，可以更為有效的使得結(jié)構(gòu)剛度進一步提高。通過添加加強筋，同樣可以大幅度地提高電子機柜的固有頻率，實現(xiàn)預(yù)期設(shè)計的最終目的；而如果適當(dāng)?shù)母淖兗訌娊畹姆植?，會得到更為理想的效果。通過ANSYS軟件的分析可以發(fā)現(xiàn)，這時的幅值同時有了較為明顯的下降。

3 結(jié)束語

文章通過應(yīng)用靈敏度分析理論，對以頻率和振型為目標(biāo)、以結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度分布為變量的優(yōu)化設(shè)計方法進行了較為系統(tǒng)地分析，并得到了幾個較為有用的實踐結(jié)論，并在此基礎(chǔ)上運用所得到的結(jié)論對電子機柜的極為重要的部件——側(cè)板進行了動態(tài)修改。與傳統(tǒng)的設(shè)計方法相比，利用ANSYS軟件對結(jié)構(gòu)模態(tài)進行分析，可以實現(xiàn)設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化，大大縮短產(chǎn)品的設(shè)計和制造周期，進而避免由于試驗而造成的時間和財力上的浪費。

參考文獻

[1]路廷清，顏肖龍，張衛(wèi)芬.基于ANSYS的電子機柜插箱的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].機械工程與自動化，2006（4）：008.

[2]陳酋.電子機柜結(jié)構(gòu)設(shè)計的方案優(yōu)化[D].南京：東南大學(xué)，2003.

[3]張衛(wèi)芬.電子機柜分機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[D].東南大學(xué)，2006.

[4]張艷麗.電子機柜結(jié)構(gòu)的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計和靈敏度分析[D].華北電力大學(xué)（北京），2009.

[5]尹妍.車載式電子設(shè)備機柜結(jié)構(gòu)輕型化設(shè)計[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2010（4）：71-74.