劉仁飛，張華俊

(南京南瑞集團(tuán)公司， 江蘇 南京 210061)

基于有限元法的電子設(shè)備機(jī)柜靜載與模態(tài)分析

劉仁飛，張華俊

(南京南瑞集團(tuán)公司， 江蘇 南京 210061)

首先，根據(jù)電子設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)靜載的標(biāo)準(zhǔn)和要求，在分析了電子設(shè)備機(jī)柜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用有限元分析軟件建立機(jī)柜的有限元模型，并對(duì)機(jī)柜提吊和剛度試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值分析，得到了機(jī)柜的三維應(yīng)力與位移云圖。其次，根據(jù)動(dòng)載振動(dòng)試驗(yàn)要求對(duì)機(jī)柜分別進(jìn)行了理論模態(tài)分析和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，并對(duì)二者結(jié)果進(jìn)行了比較。理論模態(tài)分析的結(jié)果可以滿足工程上的精度要求，能夠?yàn)闄C(jī)柜結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化提供一定的依據(jù)，為電子設(shè)備機(jī)柜的抗振設(shè)計(jì)提供了一個(gè)有效工具。

機(jī)柜；有限元法；靜載分析；模態(tài)分析

引 言

電子設(shè)備機(jī)柜是高集成度電子設(shè)備的支撐基礎(chǔ)，主要由機(jī)柜外框架、前后門、側(cè)板以及內(nèi)部立柱等組成。機(jī)柜內(nèi)部主要用于安裝插箱、光纖配線箱等電子設(shè)備[1]。現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用對(duì)電子機(jī)柜的要求越來越高，機(jī)柜除了具有承載電子設(shè)備的基本功能外，還應(yīng)在動(dòng)態(tài)運(yùn)輸環(huán)境下具備一定的抗振動(dòng)與沖擊的能力[2]。由于電子設(shè)備的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析長(zhǎng)期以來停留在經(jīng)驗(yàn)累積、靜態(tài)類比等分析方法上。傳統(tǒng)方法的主要缺陷是難以預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能，在動(dòng)態(tài)運(yùn)輸環(huán)境中，設(shè)備的可靠性產(chǎn)生了一定的隱患[3]。隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，特別是近年來用于提高計(jì)算精度和計(jì)算效率的有限元?jiǎng)恿W(xué)分析理論、模態(tài)分析理論的快速發(fā)展，相關(guān)應(yīng)用軟件在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中已得到較為廣泛的應(yīng)用，為電子機(jī)柜結(jié)構(gòu)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)分析開辟了一條捷徑[4]。本文基于有限元分析手段，根據(jù)電子設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和要求，利用軟件工具對(duì)電子機(jī)柜進(jìn)行了有限元建模，并進(jìn)行了提吊和剛度實(shí)驗(yàn)的靜態(tài)分析以及機(jī)柜的模態(tài)分析，得到了電子機(jī)柜的應(yīng)力和位移云圖以及機(jī)柜的各階固有頻率及振型圖，并與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果做了對(duì)比，為機(jī)柜結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。

1 機(jī)柜有限元模型的建立

機(jī)柜模型如圖1所示，機(jī)柜框架、前后門以及側(cè)門板結(jié)構(gòu)材料為Q235，泊松比為0.3，楊氏模量為2.1×105MPa，材料的屈服強(qiáng)度為345 MPa。機(jī)柜框架整體為焊接結(jié)構(gòu)，框架零件為鈑金折彎結(jié)構(gòu)。機(jī)柜框架尺寸為高2 200 mm、寬800 mm、深600 mm，板材厚度為2.5 mm，前后門、側(cè)門、頂蓋均為可拆卸結(jié)構(gòu)，板材厚度為1.5～2 mm。

圖1 機(jī)柜模型

機(jī)柜結(jié)構(gòu)部件基本由薄壁鈑金零件組成，各零件在厚度方向上的尺寸遠(yuǎn)小于長(zhǎng)度和寬度方向上的尺寸，所以采用殼單元建模，以鈑金結(jié)構(gòu)的中性層作為模型尺寸，定義不同零件的厚度為常數(shù)。對(duì)于各部件間的螺栓連接，本文以相關(guān)節(jié)點(diǎn)的耦合進(jìn)行模擬。機(jī)柜的有限元模型采用有限元軟件MSC/Patran建立，模型絕大部分采用四邊形殼單元模擬，少部分為三角形單元，單元質(zhì)量合理，其數(shù)量及所占比重如表1所示?？紤]到機(jī)柜單元數(shù)量較多，所以采用了計(jì)算機(jī)工作站進(jìn)行計(jì)算。

表1 機(jī)柜框架及整機(jī)有限元模型中單元類型及數(shù)量、比重

注：四邊形單元最小角<45°，最大角>135°。

2 整機(jī)靜載提吊與剛度有限元分析

為避免分析誤差，整機(jī)靜載提吊與剛度分析主要根據(jù)GB/T 18663.1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法[5]，考慮到電子機(jī)柜行業(yè)應(yīng)用的特點(diǎn)，機(jī)柜滿足試驗(yàn)SL6性能等級(jí)即能夠完全滿足行業(yè)的使用要求(見表2)。提吊試驗(yàn)保持載荷2 min，剛度試驗(yàn)保持載荷1 min[6]。為方便對(duì)比，本文按照SL6與SL7性能等級(jí)分別進(jìn)行了有限元分析。

表2 提吊試驗(yàn)和剛度試驗(yàn)的性能等級(jí)

注：額定載荷是機(jī)柜或機(jī)架的規(guī)定載荷能力。

2.1 整機(jī)提吊分析

在“提吊SL6”工況下，機(jī)柜整體最大變形位于機(jī)柜頂端，最大變形量為1.06mm，機(jī)柜整體應(yīng)力在100 MPa以下，但柜頂局部應(yīng)力集中，最高為322 MPa，未超過材料的屈服極限。在“提吊SL7”工況下，機(jī)柜整體最大變形位于機(jī)柜頂端，最大變形量為2.13 mm，機(jī)柜整體應(yīng)力在200 MPa以下，柜頂仍然局部應(yīng)力集中，最高為644 MPa，已經(jīng)遠(yuǎn)超材料極限。機(jī)柜在SL6與SL7工況下的三維位移與應(yīng)力云圖分別如圖2、圖3所示。結(jié)果表明，該機(jī)柜能夠通過提吊試驗(yàn)SL6性能等級(jí)，能夠滿足電子機(jī)柜行業(yè)使用要求。

圖2 SL6工況下整機(jī)位移(左)與應(yīng)力云圖(右)

圖3 SL7工況下整機(jī)位移(左)與應(yīng)力云圖(右)

2.2 整機(jī)剛度分析

剛度分析載荷加載示意圖如圖4所示，受試機(jī)柜用標(biāo)準(zhǔn)螺栓固定座固定在剛性地面后，不加內(nèi)部靜載荷，然后分析機(jī)柜變形情況。

圖4 剛度分析載荷加載示意圖

在SL6工況下，側(cè)面加載的最大變形量為2.70 mm，發(fā)生在側(cè)上橫梁上，前面加載的最大變形量為6.01 mm，發(fā)生在前上橫梁上，局部變形量較大，位移云圖如圖5所示。在SL7工況下，側(cè)面加載的最大變形量為5.39 mm，前面加載的最大變形量為12 mm，位移云圖如圖6所示。分析結(jié)果表明，該機(jī)柜結(jié)構(gòu)的剛度可以達(dá)到SL6等級(jí)要求，能夠滿足電子機(jī)柜行業(yè)使用要求。

圖5 SL6工況下整機(jī)位移云圖

圖6 SL7工況下整機(jī)位移云圖

3 機(jī)柜結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

3.1 機(jī)柜模態(tài)分析

模態(tài)分析主要分為理論模態(tài)分析和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。理論模態(tài)分析實(shí)際上是一種理論建模過程，而有限元法是目前建模和分析中較為常用的工具之一。試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析既能準(zhǔn)確反映機(jī)柜結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，也能對(duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。分析機(jī)柜系統(tǒng)的模態(tài)時(shí)，較為常用的是子空間迭代法和Block Lanczos法，這兩種方法適用于大部分情況的模態(tài)分析，而在某些特殊場(chǎng)合則需使用非對(duì)稱矩陣及阻尼法。

電子機(jī)柜車載運(yùn)輸時(shí)環(huán)境的上限頻率通常在100 Hz以內(nèi)。本文的模態(tài)分析主要用于確定機(jī)柜的振動(dòng)特性——固有頻率和振型(它們是承受動(dòng)態(tài)載荷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù))，并與試驗(yàn)頻率進(jìn)行比較，以驗(yàn)證有限元分析的可行性，因此只求出了前幾階固有頻率和振型用作對(duì)比分析?？紤]到機(jī)柜尺寸較大，為了獲得足夠高的精度，已將機(jī)柜及框架劃分出盡可能多的單元，由此所得特征方程的矩陣階次也很大?？紤]到實(shí)際計(jì)算機(jī)工作站計(jì)算情況，最終選用了子空間迭代法對(duì)機(jī)柜進(jìn)行模態(tài)分析。同時(shí)，分別以機(jī)柜框架及機(jī)柜整體為對(duì)象，將試樣機(jī)柜通過底部地腳螺栓固定在振動(dòng)臺(tái)上，以模擬可能采用的底部有結(jié)構(gòu)支撐的工作條件，有限元分析亦以此為邊界約束條件。試驗(yàn)過程按GB/T 2423.10規(guī)定的程序進(jìn)行，此類電子機(jī)柜一般放在電站或變電所的控制室內(nèi)，根據(jù)行業(yè)要求，試驗(yàn)性能選擇DL5等級(jí)即可。

在模態(tài)試驗(yàn)中，為了使試驗(yàn)結(jié)果能真實(shí)地反映機(jī)柜的實(shí)際特性，對(duì)影響試驗(yàn)結(jié)果的各種因素如傳感器的安裝、機(jī)柜的固定方式等都進(jìn)行了充分的考慮。機(jī)柜有限元分析與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析固有頻率的比較如表3所示。機(jī)柜框架的平均誤差為2.18%；機(jī)柜整體的平均誤差為2.39%。

表3 機(jī)柜框架模態(tài)分析結(jié)果

限于篇幅，本文僅列出了機(jī)柜框架與機(jī)柜整體幾階典型的模態(tài)振型圖，見圖7、圖8。

圖7 機(jī)柜框架2階(左)和4階(右)振型圖

3.2 誤差分析

從表3可以看出，理論值和測(cè)試值有一定的誤差。

圖8 機(jī)柜整體2階(左)和4階(右)振型圖

產(chǎn)生誤差的原因主要是機(jī)柜建模時(shí)進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化，對(duì)機(jī)柜零件連接部位的處理方法(相關(guān)節(jié)點(diǎn)的耦合)與實(shí)際情形在機(jī)柜剛度方面有一定差別。但從有限元計(jì)算和模態(tài)試驗(yàn)兩種分析方法得到的結(jié)果來看，兩者相差都沒有超過5%，而平均誤差不到3%。由此可見，該有限元建模方法的精度能夠滿足工程要求。有限元理論模型較好地反映了實(shí)際樣機(jī)的特性，能夠?yàn)闄C(jī)柜方案和結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化提供一定的依據(jù)。

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)電子設(shè)備機(jī)柜使用及運(yùn)輸環(huán)境的分析研究，使用有限元軟件建立了以殼單元為主的機(jī)柜有限元模型。首先對(duì)靜載實(shí)驗(yàn)和剛度實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了試驗(yàn)過程的數(shù)值模擬，結(jié)果表明該機(jī)柜能夠通過相應(yīng)等級(jí)的性能試驗(yàn)，可以滿足電子機(jī)柜行業(yè)使用要求。其次對(duì)機(jī)柜進(jìn)行了理論模態(tài)分析，獲得了機(jī)柜的各階固有頻率及振型圖，并與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析相比較，結(jié)果表明理論模態(tài)分析具有較高的精度，可以滿足工程要求。本研究為電子設(shè)備機(jī)柜的工藝與優(yōu)化設(shè)計(jì)做出了有益的探索。

[1] 何小兵, 張赤斌, 顏肖龍. 車載電子機(jī)柜的動(dòng)力學(xué)分析[J]. 機(jī)械工程與自動(dòng)化, 2006(1): 46-48.

[2] 劉衍平, 張劉斗, 高新霞. 電子設(shè)備機(jī)柜隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的數(shù)值模擬[J]. 塑性工程學(xué)報(bào), 2007(4): 151-155.

[3] 韓增盛, 邵士媛. 基于有限元法的車載機(jī)柜動(dòng)態(tài)特性仿真分析[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2009(1): 171-174.

[4] 朱云霄, 黃平, 郭勝軍. 電力二次設(shè)備用機(jī)柜框架的設(shè)計(jì)[J]. 電子機(jī)械工程, 2010(1): 31-34.

[5] 韓造林, 張開國, 田蘅. 電子機(jī)柜的靜載荷和動(dòng)載荷的振動(dòng)試驗(yàn)[J]. 技術(shù)前沿, 2004(7): 40-44.

[6] 張劉斗, 韓造林, 劉衍平, 等. 基于ANSYS的CAE技術(shù)對(duì)電子設(shè)備機(jī)柜靜力學(xué)試驗(yàn)的數(shù)值模擬及分析[J]. 電器工業(yè), 2004(10): 34-37.

劉仁飛(1983-)，男，碩士，工程師，主要從事電子設(shè)備機(jī)柜開發(fā)工作。

張華俊(1976-)，男，工程師，主要從事電力二次設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

Static Load and Modal Analysis of Electronic Cabinet Based on Finite Element Method

LIU Ren-fei，ZHANG Hua-jun

(NanjingNARIGroupCorporation,Nanjing210061,China)

Firstly, according to the standard and request of mechanical structure static load for electronicequipment, the finite element model of the electronic cabinet is built using finite element analysis software based on analyzing the structure characteristics of the cabinet. Numerical analysis of hanging and rigidity experiment of the cabinet is performed to get the three-dimensional stress and displacement contour of the cabinet. Secondly, theoretical modal analysis and experimental modal analysis of the cabinet are carried out based on the vibration testing requirements for dynamic load, and the results are compared between the two methods. The result of theoretical modal analysis could meet the engineering accuracy requirements. The research provides more convincing evidence for the optimization design of cabinet structure parameters, also provides an effective tool for the anti-vibration design of electronic cabinet.

cabinet; finite element method; static load analysis; modal analysis

2013-11-21

TN957.8+3

A

1008-5300(2014)01-0011-03