張洧川 陳杰 何小鵬 黃軻 劉依依 孫琦 唐濤 王菲

【摘 要】本文設計了一款用于搭載儀控設備的機柜。通過在材料選取，框架結(jié)構(gòu)，聯(lián)接設計等方面著手，使得機柜在滿足低成本，輕量化的前提下實現(xiàn)了較高的結(jié)構(gòu)強度。機柜強度還通過有限元仿真軟件進行了仿真驗證，驗證其性能滿足標準要求。

【關(guān)鍵詞】輕量化;抗沖擊;抗振動;有限元仿真

中圖分類號： TL36 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）11-0021-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.009

【Abstract】In this paper，a cabinet equipped with instrument and control equipment is designed.Through the selection of materials，frame structure，connection design and so on，high strucutre strength can be realized under the premise of low cost and light weight.The cabinet stength is also verified by the finite element simulation softwire to verify that its performance meets the standard reqiurements.

【Key words】Lightweight;Anti-vibration;Mid-strike;Finite element simulation

0 引言

以艦船電子設備為代表的儀控設備在使用過程中，可能會遭受到撞擊，海浪等引起的高強度沖擊（以下簡稱沖擊），在沖擊作用下，作為設備承載體的機械結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生變形或脫落，引起短路、接觸不良、打火等故障。同時，儀控設備所工作的環(huán)境中，可能存在固定頻率的振動，這些振動可能會造成機械結(jié)構(gòu)疲勞老化，共振，部分位置應力超標等，引起結(jié)構(gòu)損傷。

同時，低成本，小體積，輕量化也是現(xiàn)代軍用儀控設備的必然要求，為此，機柜結(jié)構(gòu)設計中使用了鈑金加工、標準化細分組件組裝等方法。為了保證新設計下機柜強度仍能滿足使用要求，需對機柜進行詳細設計和仿真驗證。

本文以應用于儀控設備中的承載機柜為對象，以滿足實際使用情況的相關(guān)要求作為輸入，從材料選取，框架結(jié)構(gòu)設計等方面著手對機柜強度進行強化，最后通過有限元仿真法對結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能和抗振動性能進行了驗證，驗證結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

1 機柜整體概況

1.1 材料選擇

材料的選取主要考慮其對于抗沖擊能力的影響，對于有抗沖擊要求的結(jié)構(gòu)件，應該選擇屈服強度較高、延伸率較大和斷裂韌性較好的材料，不應選擇脆性或是對加工缺陷較為敏感的材料。本次設計中，機柜材料選擇為Q235B鋼板，其為低碳鋼，韌性較好，屈服強度也能滿足應用要求。

1.2 機械結(jié)構(gòu)概況

如圖1所示為承載設備的立式機柜CAD模型圖，機柜主要由底框架、頂框架、左側(cè)板、右側(cè)板、頂蓋、安裝立柱、前門、后門等主要構(gòu)件組成;機柜中縱向布置五個機箱，機箱中插裝插件模塊盒，布置情況如圖2所示;機柜、機箱外形和重量具體參數(shù)見表1。

2 機柜強度設計

機柜強度設計主要從主體框架結(jié)構(gòu)設計，聯(lián)接件設計，減振器設計三方面著手。

2.1 主體框架設計

考慮到機柜的使用環(huán)境中對強度的要求較高，機柜柜體采用整體焊接形式，從結(jié)構(gòu)形式上拆分為底框，左右側(cè)板、頂框、立柱、加強筋等。

機柜底框采用4mm鋼板折彎而成，側(cè)板采用2mm鋼板整體折彎而成，且在角落處進行了加強，如圖3所示。

機柜柜體和柜門接觸位置由于需要進行開合動作，因此柜體與柜門接觸位置進行了導電處理，相應位置安裝了導電屏蔽條。

底框下部采用可拆卸擋板，以方便減振器安裝，如圖4所示。

機柜框架均采用焊接形式，主框架用二氧化碳保護焊接，細小邊緣用氬弧焊，焊縫保持均勻一致，角焊縫長度≥3mm;內(nèi)部長焊縫采用斷續(xù)焊方式，焊接長度大于20mm，并保持均勻一致。

2.2 前門鉸鏈設計

前門采用鉸鏈連接，門尺寸為：598mm×1330mm，密度為：7800kg/m3，可計算出前門重量為20kg。設鉸鏈數(shù)量n為3，門寬為A，門高為B，門重為G，鉸鏈安裝距離為L，如圖5所示。

可得：

軸向力Fy=G*（1/n）=65.3N;

徑向力方面，F(xiàn)x1=Fx3=G*A/2L=44.2N，F(xiàn)x2=0。

同時，結(jié)合安裝結(jié)構(gòu)形式，選擇CL186合頁，徑向載荷660N，軸向載荷880N，遠超所承受靜載荷，滿足強度要求。

2.3 后門螺釘強度校核

后門為了裝卸方便，采取螺釘固定的方式，由于重力作用，螺栓主要承受豎直方向的剪切力。假設螺栓桿與孔壁表面接觸面壓力分布均勻，可得螺栓所受的工作剪切應力如下式所示：

式中：

？子——螺栓所受剪切應力;

F——螺栓所受工作剪切力，預估算時僅考慮靜載荷重力;

d0——螺栓剪切面直徑，mm;

代入數(shù)據(jù)可得，螺栓所受工作應力為5.4Mpa。選擇M8螺釘，許用應力為137Mpa，且采用多螺栓同時固定，螺栓強度將滿足要求。

2.4 隔振器設計

為了不致使柜體內(nèi)部發(fā)生相對位移，需保證機柜柜體的最低固有頻率在30Hz～35Hz以上[1]，為了使外界激勵力不致引起柜體共振同時減少外界沖擊對機柜影響，隔振器設計時滿足以下幾點要求：

1）隔振器較為柔軟，使得隔振器與設備所組成系統(tǒng)的固有頻率應不高于15Hz;

2）隔振器有低頻大變形和隨載荷增加而逐漸變硬的非線性特性、足夠的側(cè)向剛度和抗拉能力;

3）隔振器有較大的阻尼，放大因子Q≤3，較大的阻尼可以減少設備在受沖擊后的響應[2]，并使設備振蕩迅速停止。

本次設計中的隔振器使用鋼絲繩隔振器，其型號為GSG150，固有頻率是7-10Hz，放大倍率<=2.5，具有堅硬的非線性特性及足夠側(cè)向剛度和抗拉能力。

3 機柜力學性能仿真

使用ANSYS 18來對設備力學特性進行仿真，仿真其抗沖擊，抗振動性能。該力學分析軟件基于有限元分析法進行分析[3]，該仿真分析方法可以得到較為準確的分析結(jié)果。

為在有限元分析中盡量考慮機柜的結(jié)構(gòu)力學特性，同時簡化計算，提高計算速度，引入如下的假設和處理方法：

1）機柜框架參考實際結(jié)構(gòu)建模，省略局部特征（如裝飾性圓角）;

2）機柜、機箱里的PCB板、電纜、連接器等全部在機箱框架的等效質(zhì)點位置處配重，機柜前后門采用同樣的方法進行配重;

3）機柜中各種緊固件固定的零件接觸面均設為綁定約束。

簡化處理后的仿真模型如圖6所示。

圖6 簡化處理后的仿真模型

3.1 模態(tài)分析

在固體與載體連接的螺釘處施加全位移約束，通過模態(tài)分析得到分析對象在30Hz內(nèi)的模態(tài)結(jié)果，得前六階的模態(tài)頻率，記錄在表2中。

模態(tài)分析結(jié)果顯示：分析對象的基頻約為8Hz，振型表現(xiàn)為沿Y向搖擺。

3.2 周期振動分析

這里在（0-60）Hz的頻率范圍內(nèi)進行掃頻計算，位移和加速度的計算幅值根據(jù)包絡原則來計算得出[4]。振動載荷全頻段取為1g，進行諧響應分析，這樣的振動量級較實際中的振動載荷稍強，因此得到的強度評估結(jié)果是偏安全的。

周期振動分析時，采用諧響應分析方法來模擬掃頻振動載荷的作用，在分析對象與機架連接的安裝螺釘處施加全位移約束。并將1g的正弦振動載荷分別沿X、Y、Z三個方向施加到設備上。諧響應分析時，常數(shù)阻尼比取0.12，計算得到了設備在三個方向上的整個振動頻段內(nèi)的等效應力最大值，具體如圖7、圖8、圖9所示，各方向應力極大值記錄于表3中。

諧響應分析結(jié)果顯示：X向受到振動載荷激勵時，等效應力最大，約為24.9MPa，該值顯著小于所用材料的疲勞極限。

3.3 沖擊譜分析

為了分析設備對外界沖擊的耐受能力，需采用DDAM法進行沖擊譜分析以驗證機械結(jié)構(gòu)抗沖擊性能。

按照相關(guān)標準要求，設備的沖擊譜加速度和速度如下式所示：

式中：

A0——沖擊譜加速度;

V0——沖擊譜速度;

ma——模態(tài)質(zhì)量。

設備按照彈塑性設計要求，在設備垂向、橫向和縱向分別使用1.0A0，0.4A0和0.4A0的加速度進行計算。

計算獲得了機柜的前10階模態(tài)，滿足模態(tài)疊加質(zhì)量大于總質(zhì)量80%的要求，取A0和V0w0中的較小值作為給定方向上的沖擊設計加速度，獲得加速度譜如表4所示。

按照表4中的加速度進行三個方向的沖擊譜計算，對于取二階模態(tài)以上的計算，組合方式選為NRL。

由相關(guān)標準中的限值計算法可得，機柜柜體所能承受的限值為：332.5Mpa，對比沖擊譜分析所得各方向最大應力值情況可得整體情況如表5所示。

沖擊譜分析結(jié)果顯示：Z向受到?jīng)_擊載荷激勵時，等效應力最大，約為243MPa，該值顯著小于限值（332.5MPa）。

4 結(jié)論

本文設計了一款基于鈑金加工和細分組件組裝等方法設計的輕量化高強度機柜，為了驗證其抗振動，抗沖擊性能，基于其應用環(huán)境下所應滿足的要求，對其進行了模態(tài)分析，周期振動分析，以及沖擊譜分析。證明其具備良好的抗振動、抗沖擊性能，應力值小于結(jié)構(gòu)耐受強度，可以滿足應用要求。

【參考文獻】

[1]程林風，王驍.基于APDL參數(shù)化設計的艦船控制柜模態(tài)分析[J].現(xiàn)代機械，2015（02）：37-42.

[2]唱忠良，劉松，鄒廣平，焦凱，張冰.金屬絲網(wǎng)橡膠減振器沖擊響應有限元仿真研究[J].哈爾濱工程大學學報，2018，39（09）：1505-1510.

[3]張龍飛，陶忠，潘文，張戰(zhàn)書，蘭香，曾傳旺.導軌式抗拉橡膠支座力學性能研究[J].振動與沖擊，2018，37（22）：122-127+150.

[4]宋天罡.某型TBM刀盤結(jié)構(gòu)設計及有限元分析[D].西南交通大學，2017.作者簡介：張洧川（1992—），男，四川成都人，碩士，助理工程師，從事反應堆儀表與控制系統(tǒng)總體設計。