基于HyperWorks的安装刚度对机柜抗震性能的影响

打开文本图片集

摘要： 针对通信机柜在抗震测试中常出现柜体倾斜、框架焊接处断裂等不合格的情况，研究机柜底部安装孔位处安装刚度对机柜抗震性能的影响。用Pro/E建立机柜模型，利用HyperWorks对某标准室内通信机柜进行模态分析和结构响应谱分析，模拟安装孔位厚度变化对机柜抗震性能的影响。研究结果表明：安装孔位处局部厚度增大能够使刚度增大，从而提升机柜抗震性能。

关键词： 通信机柜； 抗震试验； 安装孔； 厚度； 模态； 响应谱

中图分类号： TH123.3 文献标志码： B

Influence of installation stiffness on cabinet anti-seismic performance based on HyperWorks

KANG Wenli1， LI Qian1，2， LI Dongpeng2， CAO Xiaozheng1，2

（1. School of Energy， Power and Mechanical Engineering， North China Electric Power University， Baoding 071000， Hebei，

China； 2. Baoding TTL Anti-seismic Research Institute of Telecommunication Equipment， Baoding 071000， Hebei， China）

Abstract： As to the issue that the telecommunication cabinet can not pass the anti-seismic test， for example， the cabinet is inclined， the welding place is broken， and so on， the influence of installation stiffness of bottom installation hole on the cabinet anti-seismic performance is studied. The cabinet model is established by Pro/E， and the modal analysis and structure response spectrum analysis on certain standard indoor telecommunication cabinet are carried out using HyperWorks. The influence of variation in thickness at installation hole position on cabinet anti-seismic performance is simulated. The results show that the stiffness can be increased with the increasing of the thickness at the installation hole position， and the cabinet anti-seismic performance can be improved.

Key words： telecommunication cabinet； anti-seismic test； installation hole； thickness； modal； response spectrum

0 引 言

地震是一種危害极大而又无法避免的自然现象，通信设备在传递抗震救灾指挥信息中具有重要的作用，然而通信设备一般都相当昂贵，修复或更换的费用非常高。在通信工程中，通信设备主要的承载体是机柜，研究如何确保其具有足够的抗震能力，以确保救灾通信、减轻灾害造成的社会损失具有重要的现实意义。

目前，关于机柜的研究主要集中在选材和结构优化设计方面，对机柜的抗震性能研究较少。国外对机柜的研究起步较早：STEINBERG[1]对如何设计抗强冲击、振动的电子机柜设备进行一定研究；KAIDY[2]对电子设备如何避免共振问题进行一些探讨。国内学者主要对舰载电子机柜和车载电子机柜等移动电子机柜进行抗振分析和动态特性分析。张卫芬[3]和张艳丽[4]均通过有限元法对机柜进行模态分析，对机柜薄弱环节进行优化；李松磊等[5]对机柜的结构设计和选材进行研究。

针对在机柜抗震试验时常有柜体变形倾斜、焊接处断裂、安装固定孔位处撕裂或变形等，造成机柜不满足使用要求的情况，综合考虑经济和执行难易程度，分析研究机柜底部安装孔位处厚度对机柜抗震性能的影响。典型机柜破坏形式见图1。

机柜破坏主要集中在机柜底部安装孔位处、立柱与顶框和底框的焊接处，以及内立柱与通信设备的连接部位。本文通过HyperWorks研究机柜底部安装孔位处厚度对机柜抗震性能的影响，并借鉴胡绍猫[6]通过机柜共振频率、应力和响应位移对机柜进行抗震分析的研究思路。

1 通信机柜结构造型特点分析

机柜产品是以框架为核心的系统构造体，其整体质量和外观造型由其框架系统的设计所决定，框架系统由紧固件、立柱、横梁等组成。机柜质量取决于柜体强度与整体造型形态，柜体强度主要取决于机柜框架的强度，而框架强度又由立柱的强度和联接立柱的联接角件强度所决定[7]。为方便研究，某19英寸（48.26 cm）标准室内通信机柜以其框架来代替，见图2。

2 通信机柜有限元模型建立

通信机柜的有限元模型可以用以下2种方法进行建模：一是通过HyperWorks自带的有限元建模模块Inspire进行建模；二是通过三维建模软件进行建模，再导入到HyperWorks的HyperMesh模块中进行网格划分。本文选择第二种方式，即先用三维建模软件Pro/E参照机柜实物进行建模，然后导入到HyperMesh中进行专业的网格划分，最后施加边界条件并用Optistruct模块进行模态分析、直接频率响应分析和响应谱分析求解。

该通信机柜整体尺寸为600 mm（宽）×1 140 mm（深）×2 000 mm（高），机柜框架所用材料为冷轧钢板Q235，内立柱厚度为2 mm，其余部件厚度为2.5 mm；配重块为铁块（代替通信设备），尺寸为423 mm（宽）×600 mm（深）×50 mm（高），共3块，每块重100 kg；安装配重块的铁片厚度为10 mm。通信机柜材料参数见表1。

根据实物用Proe/E进行建模，在零件-钣金件模块下进行机柜主框架钣金件的折弯制作，然后用切除和拉伸命令完成安装孔的制作，配重及安装铁片在零件-实体模块下进行拉伸制作，制作完成后进行装配。

将机柜模型导入到HyperMesh中进行网格划分，除配重块采用六面体网格单元划分外，其余部件均采用壳单元进行划分，整个网格单元数为345 694个，节点数为380 656个，见图3。

机柜框架主体部分即立柱与顶框、底框、侧梁采用满焊的连接方式；顶框与顶板、底框与底板采用点焊的连接方式；内立柱与托盘、横梁、配重采用螺栓连接的方式。满焊部分采用node-to-node刚性单元连接表示，点焊部分采用acm（equivalence-（T1+T2）/2）单元表示，螺栓连接部分用multiple nodes-calculate node刚性单元和bars单元联合表示，最后建立材料和属性并赋值到相应的结构部件。

3 通信机柜的仿真

机柜连接关系设置完成后，设置机柜边界条件进行模态分析和结构响应谱分析，模拟机柜在配重位置为9U，18U，34U的频率、位移和应力，其中U为服务器外部尺寸单位（高度或厚度），美國电子工业协会（EIA）规定1U=44.45 mm。

在模态分析中，将机柜底部固定，结构进行有阻尼运动，对电子机柜进行离散化处理，其动力学方程为

系统响应用特征向量X和模态响应d的纯量积来描述，即

机柜的动力学方程可转化为

对机柜模态分析就是求解式（3）的特征值，即特征方程的根Ω2i（i=1，2，…，n），进而求得结构的固有频率Ωi（i=1，2，3，…，n）。模态分析得到的结果见图4，机柜的频率为4.078 Hz，机柜模态位移从下到上逐渐增大。根据抗地震性能检测规范[8]，对机柜进行8烈度地震波考核。结构响应谱分析中用到的响应谱见图5。由于仿真结果中位移和应力变化趋势都是一致的，云图仅以配重位置为9U，18U和34U无斜撑的情况为代表，响应谱分析结果云图见图6。由此可以看出：机柜顶部位移最大；最大应力发生在底部安装螺栓固定孔位处，其次是框架焊接部分和配重与内立柱安装连接部分。

4.1 实验设计

将装配有300 kg配重的被测通信机柜通过底部的4个安装固定孔位安装在槽钢上[9]，通过槽钢固定在三方向六自由度的地震模拟振动台上，在机柜主框架及振动台上粘贴PCB加速度传感器，采用LMS采集系统采集数据，对应通信机柜仿真情况进行相应实验并采集数据，结果

4.2 实验结果分析比较

由于测试的安装刚度与分析中的约束刚度有差异，所以分析结果与实验结果存在误差。工程中规定误差值不超过10%即满足要求[10]，误差计算公式为

图4仿真值为4.078 Hz，图7实验值为3.906 Hz。通过计算可以得出δ=4.40%<10%，满足工程误差的要求。

图6机柜的最大位移发生在机柜的顶部，最大应力发生在底部安装固定孔位处，其次是主框架焊接部分和配重与内立柱的连接部分，位移和应力的变化情况均与图1机柜实际破坏情况相符。由此可证明有限元模型以及所建立的边界条件和连接关系正确，可用此模型进行仿真，研究机柜底部安装刚度对机柜抗震性能提升的影响。

5 仿真分析结果

由上文可知，机柜最大应力主要集中在底部安装孔位处，综合考虑经济因素和执行难易程度，从安装孔位处厚度入手研究安装刚度对机柜抗震性能的影响。在HyperMesh中将安装孔位周围局部（见图8深色部分）移动至新建层中，以方便改变厚度进行分析研究。

地震波频率范围一般在33 Hz以下，强震部分主要集中在5 Hz以下，所以设备频率在5 Hz以下时更容易被破坏。选择机柜的一阶频率进行研究，选择位移、应力和刚度研究底部安装孔位厚度对机柜抗震性能的影响。此处研究厚度T范围为1.5～3.5 mm，厚度间隔为0.2 mm的变化趋势。

频率f的计算公式为

式中：k为刚度；m为质量。由此可以推导出刚度的计算公式为

经测量，机柜框架质量为128 kg，配重为300 kg，则m=428 kg。模态分析和响应谱分析结果见表2。

为更直观地观察机柜底部安装孔位处厚度变化对机柜抗震性能的影响，将所得结果用MATLAB拟合成厚度-频率曲线、厚度-刚度曲线、厚度-位移曲线和厚度-应力曲线，分别见图9～12。

由仿真分析结果可以看出：局部厚度增加能够提高机柜的抗震性能；随着安装孔位置厚度的增加，机柜的频率和刚度先呈现明显的上升趋势，然后趋于平缓升高；位移和应力先呈现明显的下降趋势，然后趋于平缓下降。从表2的数值中可以看出，安装孔位置厚度变化对安装孔处局部应力影响最为明显，厚度增加能够显著减小机柜安装孔处应力。

6 结 论

针对19英寸（48.26 cm）标准室内通信机柜，在不影响通信设备安装的情况下，通过在安装孔位局部增加垫片能使安装刚度提高，简便易行，从而可提高机柜的稳定性和抗震性能。参考文献：

[1] STEINBERG D S. Vibration analysis for electronic equipment[M]. Hoboken： Wiley-Interscience， 1973.

[2] KAIDY M. Pick the perfect chassis to ensure system longevity[J]. Electronic Design， 1997， 45（27）： 127-137.

[3] 张卫芬. 电子机柜分机的结构优化设计[D]. 南京： 东南大学， 2006.

[4] 张艳丽. 电子機柜结构的动态优化设计和灵敏度分析[D]. 北京： 华北电力大学（北京）， 2009.

[5] 李松磊， 冯忠祥. 钣金结构的机柜设计[J]. 科技风， 2015（12）： 150.

LI S L， FENG Z X. Design of sheet metal structure cabinet[J]. Technology Wind， 2015（12）： 150.

[6] 胡绍猫. 基于ANSYS Workbench通信机柜的抗震分析[J]. 机电工程技术， 2014（4）： 77-79.

HU S M. Anti-seismic analysis of telecommunication cabinet based on ANSYS Workbench[J]. Mechanical and Electrical Engineering Technology， 2014（4）： 77-79.

[7] 赵得成， 柴英杰. 标准通信机柜的结构创新与造型设计[J]. 机械设计与制造， 2006（10）： 135-137.

ZHAO D C， CHAI Y J. Structural innovation and sculpt design of a standard telecommunication machine cabinet[J]. Machinery Design and Manufacture， 2006（10）： 135-137.

[8] 电信设备抗地震性能检测规范： YD 5083—2005[S].

[9] 胡山凤， 孙罕. 基于ANSYS的汽车发电机连接螺栓布局设计优化[J]. 计算机辅助工程， 2016， 25（6）： 42-45. DOI： 10.13340/j.cae.2016.06.007.

HU S F， SUN H. Layout design and optimization on automotive alternator connecting bolts based on ANSYS[J]. Computer Aided Engineering， 2016， 25（6）： 42-45. DOI： 10.13340/j.cae.2016.06.007.

[10] 杭祖权， 张少静， 王镇， 等. 基于Pro/E的机柜参数化设计[J]. 军民两用技术与产品， 2015（3）： 56-58. DOI： 10.19385/j.cnki.1009-8119.2015.03.007.

HANG Z Q， ZHANG S J， WANG Z， et al. The parametric design of a cabinet based on Pro/E[J]. Daul Use Technologies & Products， 2015（3）： 56-58. DOI： 10.19385/j.cnki.1009-8119.2015.03.007.