(江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222061)

振動(dòng)仿真分析網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備加固設(shè)計(jì)

簡繼紅

(江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222061)

對(duì)網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備進(jìn)行了二次加固減振設(shè)計(jì)，同時(shí)利用ANSYS仿真分析對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行減振輔助設(shè)計(jì)，以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低設(shè)計(jì)成本。通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備進(jìn)行合理簡化，建立了其有限元網(wǎng)格模型。利用ANSYS對(duì)網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)沖擊有限元計(jì)算，分別獲取了網(wǎng)絡(luò)交換模塊印制板在沖擊振動(dòng)下的應(yīng)力及位移響應(yīng)曲線。通過ANSYS有限元分析的后處理功能，得到隔振器的最大伸長量以及各部件最大位移量和最大等效應(yīng)力值。結(jié)果表明，隔振器的伸長量在額定范圍之內(nèi)，設(shè)備結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力與材料的屈服強(qiáng)度還相差甚遠(yuǎn)，結(jié)構(gòu)沒有產(chǎn)生塑性變形，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。為網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備的抗振動(dòng)沖擊設(shè)計(jì)提供了一定的理論參考依據(jù)。

加固；振動(dòng)；沖擊；隔振器； 有限元

0 引言

目前,艦船用網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備通常采用商用的網(wǎng)絡(luò)交換板對(duì)其進(jìn)行二次加固來實(shí)現(xiàn)其強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)交換功能，商用網(wǎng)絡(luò)交換板在抗振動(dòng)沖擊方面顯然弱于抗惡劣環(huán)境的產(chǎn)品。因此,對(duì)其進(jìn)行減振設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。電子設(shè)備的減振設(shè)計(jì)必須以振動(dòng)分析為基礎(chǔ)，掌握減振的原理和方法才能更好的解決所面臨的問題[1]。傳統(tǒng)的電子設(shè)備減振設(shè)計(jì)主要依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和大量的摸底試驗(yàn)來保證。產(chǎn)品研制過程往往需要多次反復(fù),周期較長。隨著環(huán)境平臺(tái)的日益復(fù)雜,研制周期日趨緊張,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法很難滿足研制要求[2]。利用ANSYS有限元分析軟件，在設(shè)備的概念設(shè)計(jì)階段進(jìn)行振動(dòng)沖擊有限元分析，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起指導(dǎo)作用，可有效提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平，避免生產(chǎn)浪費(fèi)，并縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，降低成本[3]。運(yùn)用基于有限元分析技術(shù)的加固網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的減振設(shè)計(jì)方法,利用ANSYS有限元分析軟件模擬振動(dòng)環(huán)境, 對(duì)加固網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行沖擊振動(dòng)和諧響應(yīng)振動(dòng)分析, 確定減振器的規(guī)格，驗(yàn)證減振設(shè)計(jì)的可靠性。

1 加固網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

加固網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)設(shè)備如圖1所示，主要由框架、網(wǎng)絡(luò)交換模塊、電源、前面板、后面板、減振器和減振器墊板等部分組成，其中網(wǎng)絡(luò)交換模塊由印制板、導(dǎo)熱板及鎖緊裝置組成，其是通過鎖緊裝置和框架連接；框架采用整體釬焊形式，其目的在于減小零件間的接觸熱阻，提高散熱效果，同時(shí)也提高了機(jī)箱的密封性、電磁兼容性和整體的強(qiáng)度。其余前后面板部分采用螺釘連接；框架上安裝有4個(gè)鋼絲繩減振器與減振器墊板連接；整個(gè)加固網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)設(shè)備通過減振器墊板安裝。

圖1 加固網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)

整個(gè)加固網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)設(shè)備具有下列特點(diǎn)：

網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)框架采用釬焊工藝形成一個(gè)整體?？勺龀蓡我涣慵幚?，其余除網(wǎng)絡(luò)交換模塊外其他零部件的連接方式相對(duì)固定，均是采用螺釘連接，而且連接點(diǎn)很多，可認(rèn)其為剛性連接；網(wǎng)絡(luò)交換模塊通過鎖緊裝置和框架連接，采用摩擦接觸關(guān)系。

加固網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)設(shè)備減振設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)交換板的二次加固和隔振器的選擇[4],網(wǎng)絡(luò)交換板的加固設(shè)計(jì)采用楔形鎖緊機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

楔形鎖緊機(jī)構(gòu)具有高度可靠的鎖緊功能、較小的接觸熱阻以及方便靈活的拆卸性能，通過鉚釘牢靠地鉚在導(dǎo)熱板的兩側(cè)，與箱體側(cè)板的導(dǎo)向槽相配合，可以使印制板在垂直方向上插入。設(shè)備選用五節(jié)鎖緊機(jī)構(gòu)，當(dāng)順時(shí)針旋動(dòng)螺釘時(shí)，兩滑塊和兩滑座平滑向虛線方向移動(dòng)而鎖緊，反之，在簧片的作用下，恢復(fù)到原來位置。

圖2 楔形鎖緊機(jī)構(gòu)

減振器的設(shè)計(jì)與選型原則，減振器在系統(tǒng)中的安裝布點(diǎn)應(yīng)盡量使系統(tǒng)剛度中心和質(zhì)量中心重合，有利于消除該系統(tǒng)其他方向的振動(dòng)耦合。在優(yōu)先保證隔振系統(tǒng)靜、動(dòng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的前提下盡量提高系統(tǒng)的隔振、緩沖效果，降低振動(dòng)、沖擊傳遞率。一般情況下，設(shè)備底部用4個(gè)承載式的減振器支撐，基于以上原則根據(jù)設(shè)備的重量預(yù)選GS系列某不銹鋼絲繩隔振器。其規(guī)格參數(shù)通過有限元仿真來確定隔振器選型的合理性，在沖擊載荷作用下隔振器的伸長量不應(yīng)超過額定伸長量。

額定載荷為120N;靜剛度為28000N/m;額定伸長量為0.004 m;阻尼比為120。

2 加固網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)設(shè)備的有限元模型

為便于加固網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)設(shè)備振動(dòng)仿真分析，根據(jù)實(shí)際模型的特點(diǎn)，對(duì)加固網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)設(shè)備幾何模型進(jìn)行簡化，重點(diǎn)關(guān)注設(shè)備整體和關(guān)鍵部件----網(wǎng)絡(luò)交換板的整體和局部動(dòng)力學(xué)特性，以下是具體簡化方式。

a.加固網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)前面板、后面板和減震器安裝板等薄板結(jié)構(gòu)建模時(shí)使用用 ANSYS 中的殼單元；其中網(wǎng)絡(luò)交換板建模使用多層板單元，忽略網(wǎng)絡(luò)交換板上元器件安裝產(chǎn)生的附加結(jié)構(gòu)剛度，只考慮網(wǎng)絡(luò)交換板上的元器件的質(zhì)量，將其均布于交換板上；將前面板上的航插連接器簡化成質(zhì)量點(diǎn)忽略其對(duì)設(shè)備的剛度影響。

b.將不關(guān)心的螺釘連接處的局部應(yīng)力變形簡化掉，將螺釘連接簡化為有限元模型中結(jié)點(diǎn)之間的自由度耦合，采用綁定接觸方式。對(duì)于整體動(dòng)力學(xué)特性影響不大的孔、槽等結(jié)構(gòu)在實(shí)際模型中忽略不計(jì)，包括螺紋孔，散熱槽等。

c.網(wǎng)絡(luò)交換模塊的連接方式通過設(shè)置楔形鎖緊機(jī)構(gòu)側(cè)壁的摩擦接觸來實(shí)現(xiàn)，底端采用定位塊限制其自由度。

d.減振器等效成彈簧阻尼單元。在設(shè)置減振器參數(shù)時(shí)需要彈簧剛度及阻尼系數(shù)，可采用的計(jì)算方法是彈簧剛度是根據(jù)隔減振器的受力與變形關(guān)系得到的。其剛度k為28000N/m，每個(gè)減振器用4個(gè)彈簧-阻尼單元代替，即4個(gè)減振器由16個(gè)彈簧-阻尼單元代替，所以每個(gè)單元的彈簧剛度ks為7 000N/m，阻尼系數(shù)是根據(jù)阻尼比來確定的。減振器的阻尼比為ξ=0.25，其阻尼系數(shù)cv計(jì)算式為:

設(shè)定整個(gè)網(wǎng)絡(luò)交設(shè)備的質(zhì)量為30kg，所有彈簧所承受質(zhì)量m=30kg，由16個(gè)彈簧阻尼單元組成，所以每個(gè)彈簧阻尼單元所分擔(dān)的質(zhì)量為1.875kg，再根據(jù)彈簧剛度ks=7 000N/m，可計(jì)算出系統(tǒng)阻尼系數(shù)cv為57.28Ns/m。

根據(jù)以上分析對(duì)幾何實(shí)體模型進(jìn)行簡化，利用ANSYS前處理功能對(duì)模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，得到設(shè)備的有限元分析模型如圖3所示。整個(gè)模型的單元總數(shù)約為452719，節(jié)點(diǎn)總數(shù)約為536120。

圖3 設(shè)備有限元模型

3 沖擊有限元分析

沖擊是指系統(tǒng)在很短的時(shí)間內(nèi),受到瞬態(tài)激勵(lì)，其加速度、速度和位移發(fā)生瞬間變化的物理現(xiàn)象。沖擊往往具有幾個(gè)特點(diǎn):沖擊作用的時(shí)間非常短暫，能量的釋放、轉(zhuǎn)換和傳遞是在很短的時(shí)間內(nèi)驟然完成的；沖擊激勵(lì)不呈現(xiàn)周期性，系統(tǒng)所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)為瞬態(tài)作用；在沖擊的作用下，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與沖擊作用的持續(xù)時(shí)間和系統(tǒng)的固有頻率或周期有關(guān)[5-6]。

設(shè)備主要采用減振器墊板和設(shè)備相連的方式，應(yīng)對(duì)減振器墊板設(shè)置固支約束條件，根據(jù)試驗(yàn)大綱的要求，在模型的Y向上施加為歷時(shí)0.011s，峰值為30g的半正弦加速度來驗(yàn)證在載荷沖擊作用下，設(shè)備結(jié)構(gòu)的位移量和等效應(yīng)力值是否許用值范圍內(nèi)。

通過ANSYS有限元瞬態(tài)分析數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)交換模塊印制板上選取5個(gè)節(jié)點(diǎn)分別在左右前后中間位置，畫出它們的位移量隨時(shí)間變化曲線，等效應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)交換印制板時(shí)間歷程曲線

由圖4可以看出，在載荷量最大的0.0055s時(shí)網(wǎng)絡(luò)交換模塊印制板的最大等效應(yīng)力和最大位移量并沒有出現(xiàn)，而是出現(xiàn)在0.007 5s和0.009 1s處，這是由于阻尼減振器的存在導(dǎo)致了沖擊響應(yīng)的滯后。于是通過ANSYS有限元仿真后處理功能結(jié)果，可以分別得到3個(gè)時(shí)間點(diǎn)處的設(shè)備總體、印制板的位移量、等效應(yīng)力值如表1所示。

表1 位移量時(shí)間、等效應(yīng)力值

在沖擊載荷作用下，彈簧的最大伸長量為0.00625m，小于減振器的額定伸長量0.018m，證明了減振器的選型是正確的。由表3的數(shù)據(jù)可以看出，在沖擊載荷作用下，各部件的最大等效應(yīng)力均遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生任何的破壞性形變，說明該網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。

4 諧響應(yīng)振動(dòng)有限元分析

諧響應(yīng)用于分析結(jié)構(gòu)在承受隨時(shí)間正弦(簡諧)規(guī)律變化的載荷作用下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。通過分析，獲得結(jié)構(gòu)位移對(duì)頻率的幅頻特性曲線及其他結(jié)果隨頻率的變化情況。從這些曲線上找到“峰值”響應(yīng)，并進(jìn)一步觀察峰值頻率對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的持續(xù)動(dòng)力特性，驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否可以克服共振、疲勞及其他受迫振動(dòng)引起的有害結(jié)果。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用中有著很大的指導(dǎo)作用。

諧波響應(yīng)分析計(jì)算穩(wěn)態(tài)受迫振動(dòng)，求解通用運(yùn)動(dòng)方程為:

為了驗(yàn)證在振動(dòng)沖擊載荷作用下總體結(jié)構(gòu)的位移量和等效應(yīng)力值是否在允許的范圍之內(nèi)。施加表2中的振動(dòng)載荷。

表2 振動(dòng)載荷

選取網(wǎng)絡(luò)交換模塊印制板上前后左右中位置處的5個(gè)節(jié)點(diǎn)，畫出它們的位移量隨頻率變化曲線，等效應(yīng)力隨頻率變化曲線，如圖5所示。

圖5 位移隨頻率、等效應(yīng)力隨頻率變化曲線

由圖5可以看到，網(wǎng)絡(luò)交換模塊印制板在振動(dòng)載荷的作用下，其位移量和等效應(yīng)力均在33.5Hz處有峰值，通過ANSYS的應(yīng)力曲線圖可以得到，頻率33.5Hz時(shí)設(shè)備的最大位移量為0.000751m，最大等效應(yīng)力為15.465MPa。由此可知，在振動(dòng)載荷作用下設(shè)備的位移量很小，彈簧的伸長量在額定范圍之內(nèi)；模塊印制板的最大等效應(yīng)力均遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生破壞。

5 結(jié)束語

對(duì)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)設(shè)備進(jìn)行了二次加固設(shè)計(jì)，同時(shí)運(yùn)用大型有限元分析軟件，通過模擬實(shí)驗(yàn)條件和加載方式對(duì)加固網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)設(shè)備進(jìn)行了沖擊與諧響應(yīng)振動(dòng)分析，對(duì)隔振器的選型進(jìn)行了驗(yàn)證，選擇適合的隔振器作為網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備的隔振裝置。

通過有限元的分析結(jié)果可以得到：加固網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)模型在載荷的作用下，其結(jié)構(gòu)的位移量和等效應(yīng)力值均很小，結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)未發(fā)生塑性變形。特別對(duì)所關(guān)心的網(wǎng)絡(luò)交換模塊印制板的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行提取和觀察，得到其在載荷作用下的最大等效應(yīng)力均在要求的范圍之內(nèi)。網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備有限元分析結(jié)果充分驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。對(duì)設(shè)計(jì)工作具有重要的指導(dǎo)意義。可見，使用數(shù)值模擬仿真分析的方法縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期，降低了生產(chǎn)成本，確保了產(chǎn)品的質(zhì)量[9]。

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Network Exchange Equipment Strengthening Design Based on Vibration Analysis

JIANJihong

(Jiangsu Automation Research Institution,Lianyungang 222061,China)

The network switching equipment are strengthened vibration design,and using ANSYS simulation analysis for vibration aided design of products,to shorten the product development cycle,reduce the design cost.By reasonably simplifying the network switching equipment,established the finite element calculation of network exchange equipment by using ANSYS,were obtained by the network switching module PCB under impact vibration of the stress and the displacement response curve.Processing function by ANSYS finite element analysis, get maximum stretching vibration isolator and the components the maximum displacement and maximum equivalent device structure should yield strength and material is also far,no plastic deformation, verified the rationality of the structure design.Provides some theoretical references for the anti vibration design of network switching equipment.

strengthening；vibration;impact;vibration isolator;finite element

2014-03-27

TH12

A

1001-2257(2014)08-0018-04

簡繼紅(1982-)，女，江西新余人，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)榧庸逃?jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。