第1期(總第134期)機械工程與自動化2006年2月MECHANICAL enGineerinG & AUTOMATIONFeb文章編號:1672-6413(2006)01-0046-03車載電子機柜的動力學分析何小兵,張赤斌,顏肖龍(東南大學機械工程系,江蘇南京210096)摘要:根據(jù)相關(guān)標準的要求,對電子機柜進行了瞬態(tài)動力學分析和隨杋振動譜分析,模擬實際要求的激勵實現(xiàn)對沖擊和振動的仿真分析,得到了電子機柜各部位的應力和應變值,找岀了電子杋柜結(jié)構(gòu)的薄弱部位,為其結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)關(guān)鍵詞:瞬態(tài)動力學分析;隨機振動譜分析;電子機柜中圖分類號:TM59文獻標識碼:A0引言力學仿真。沖擊脈沖波形:半正弦;脈沖加速度:30g;電子機柜是高集成度電子設(shè)備的支撐基礎(chǔ),其外持續(xù)時間:0.011s。具體的數(shù)學描述為形結(jié)構(gòu)見圖1,它主要由立柱、橫梁、外側(cè)板、插箱和Asina,0≤t≤0.011。…………(1)蓋板等組成?，F(xiàn)代工業(yè)應用對電子設(shè)備的要求越來越式中:x—位移,mm高,電子設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計除了滿足產(chǎn)品的電性能指標外,A—振幅,A=30g=294mm/s2;還應研究和解決設(shè)備在動態(tài)環(huán)境下的工作可靠性以及角頻率,=285.45抵御惡劣環(huán)境的能力。本文從工程應用出發(fā),利用軟t—時間,s。件工具對機柜結(jié)構(gòu)進行瞬態(tài)動力學仿真和隨機振動譜1·1建立用于機柜瞬態(tài)分析的模型分析,研究機柜的動態(tài)特性和動態(tài)響應,以便在結(jié)構(gòu)文中分析的機柜采用了鋁型材框架結(jié)構(gòu),由于鋁的方案論證時就可預估機柜的薄弱環(huán)節(jié),為機柜結(jié)構(gòu)型材較差的焊接性能,機柜全部采用了螺栓緊固件聯(lián)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。接方式。為了增加立柱與上、下橫梁的聯(lián)接緊固性,設(shè)計了三面聯(lián)接的聯(lián)接塊。利用有限元分析軟件 ANSYS對機柜進行仿真。頂蓋板有限元模型采用以梁單元為主的建模方式,對立柱與支架外側(cè)板梁的螺栓聯(lián)接處采用節(jié)點融合的方式進行處理。在求插箱解時給機柜底座的各支點施加零位移全約束立柱1.2機柜瞬態(tài)動力學結(jié)果分析圖2列出了機柜底座4個支點的支反力F隨時橫梁下蓋板間變化的曲線圖。從圖2可以知道4個支點中第4點的支反力較大,第2點較小,第1點與第3點值接近出現(xiàn)最大支反力的時間比較靠近,說明結(jié)構(gòu)并不對稱。圖1電子機柜外形結(jié)構(gòu)圖般來說,機柜的4個支點是通過4個減震器與底座1電子機柜瞬態(tài)動力學仿真聯(lián)接V中國煤化工中,4個支點的受力情況有關(guān)標準規(guī)定了車載電子機柜在不同應用環(huán)境中對減CNMH(數(shù)據(jù)為減震器的結(jié)構(gòu)參的沖擊試驗強度。為了解和改善機柜的抗沖擊能力,本數(shù)設(shè)計、阻尼材料的研制提供了較為詳盡的理論依據(jù)。文根據(jù)相關(guān)規(guī)定,按以下環(huán)境條件對機柜進行瞬態(tài)動插箱是電子元器件的直接承載構(gòu)件,其變形量對收稿日期:2作者簡介,何萬有效損,男,安徽湖人,損士研究生,究方向,電子機械結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計2006年第1期何小兵,等:車載電子機柜的動力學分析47·元器件的影響最大。圖3中的5條曲線為頂蓋板和4的應力強度校核可以根據(jù)第四強度理論,選擇Von個插箱中點受到半正弦沖擊信號時的變形圖,頂蓋板Miss等效應力來判斷機柜結(jié)構(gòu)的強度。Ⅴ on miss等的變形量最大,最大值為1.414mm,其次為插箱2。從效應力可以表示為圖3中可以看出,由于殘余響應的影響,各點響應的(a1-02)2+(a2-03)2+(a3-01)2]。最大值都出現(xiàn)在11ms以后,即激勵結(jié)束以后。為了更清楚地描述各條曲線的情況,表1列出了各點最大值(2)響應及其出現(xiàn)的時間。式中:σ1、σ2、σ3—三向應力狀態(tài)下主應力強度條件表示為第1點≤[a]式中材料的許用應力32.0第2點根據(jù)式(2)求出4個插箱和頂蓋板的等效應力值,其結(jié)果列于表1中。從表1中看,插箱的最大等效應24.0第3點力值為37.328MPa,遠小于材料的許用應力值,滿足強度要求6.0第4點立柱是機柜的主要承載部件,其強度對整個機柜8.0的穩(wěn)定有很大的作用。從仿真的結(jié)果看,當機柜受到?jīng)_擊載荷時,立柱受到的應力最大。圖4為立柱應力最大點的 Von miss等效應力a,變化曲線,等效應力8.010.012最大值為47.2MPa,小于鋁的許用應力值(鋁的a,為130MPa),符合強度要求圖2底座4個支點處支反力隨時間的變化頂蓋板40.016插箱230.0插箱120.00.8插箱4285684112插箱3圖4立柱上應力最大點的等效應力3.26496128由瞬態(tài)動力學分析的結(jié)果可以得到下面幾條結(jié)論:①機柜底座4個支點的支反力大小是隨時間變化圖3機柜頂蓋板及各插箱中點的變形圖的,最大的支反力既不出現(xiàn)在沖擊激勵的最大值處,也表1頂蓋板和4個插箱中點的最大變形量和最大應力值不岀現(xiàn)在沖擊結(jié)束處,而是出現(xiàn)在8.8ms時;②機柜數(shù)值變形量e力值受到?jīng)_擊作用時,變形量最大的是頂蓋板和插箱2的變形最大值出現(xiàn)時間應力最大值出現(xiàn)時間底板,其值分別為1.414mm和1.0144mm;③頂蓋板部件和插箱的最大變形值都出現(xiàn)在沖擊激勵結(jié)束之后,殘插箱10.672813,2余響應引起的機柜結(jié)構(gòu)變形不容忽視;④各插箱、頂插箱21.014414.324.69713.75蓋板和立柱的最大應力值都小于材料的許用應力值,插箱30.291312,11314,8滿足強度要求插箱0.34992電子機柜隨機振動譜分析1.414子機柜在工作時了受到?jīng)_擊激勵外,還可根據(jù)強度理論,當應力值達到材料的強度極限能受中國煤化工振動常常是不規(guī)則的隨(或屈服極限)時,材料就會發(fā)生斷裂破壞(或塑性變機的CNMHG,以便了解機柜在隨機形)。因此,有必要在機柜的設(shè)計過程中,對其進行應振動作用下的響應情況。力分析。根據(jù)強度要求和材料的特性,可以選擇單元2.1機柜的隨機振動譜分析節(jié)點處的最大拉應力、最大剪應力或綜合應力作為強同瞬態(tài)分析類似,在對機柜進行譜分析時,可以度校核基馮翝蟥霠件材料一般為鋁或其它塑性材料,將其簡化為從機柜的支點處輸入隨機振動的力學模材料的失效以材料發(fā)生塑性變形為標志,因此對機柜型,所用有限元模型仍為上述模型,并且對底座4個48·機械工程與自動化2006年第1期支點進行零位移全約束。應力最大,其最大應力值為113MPa,而鋼的屈服應力機柜在工作時受到的振動主要是車輛受到地面的為235MPa。因此在振動激勵下,機柜的強度滿足要顛簸造成的,一般為豎直方向。因此,本文根據(jù)課題求。要求,選取相關(guān)標準的試驗條件對機柜進行振動仿真由隨機振動分析的結(jié)果可以得到以下幾條結(jié)論:分析,在標準中規(guī)定機柜的試驗頻率范圍為5Hz①在隨機振動激勵下,插箱2和頂蓋板的位移響應功200H,譜密度見圖5(圖5中縱坐標功率譜密度的單率譜密度最大,而立柱、梁以及側(cè)蓋板的位移響應都位為每赫茲g2)較小;②在機柜各部件的固有頻率附近,由于發(fā)生共試驗持續(xù)時間:每800km為120min振,此時位移響應功率譜值被放大,但各階模態(tài)響應1.000的大小各不相同,插箱2的響應最大;③各插箱由于0500總均方根1.98g振動的作用,產(chǎn)生較大的位移響應,對元器件的正常工作會產(chǎn)生一定的影響,所以必須采取適當?shù)拇胧?減0.050小插箱的位移響應倒0020娠00050.002學0032插箱2頂蓋板5010020.05001000200020024插箱1圖5垂直激勵功率譜圖0016插箱32.2機柜的隨機振動結(jié)果分析插箱4隨機振動分析是一種定性的分析技術(shù),圖6中各00側(cè)蓋板條曲線代表它們在某一特定值發(fā)生的可能性,其數(shù)值立柱只具有統(tǒng)計上的意義,并不是真實具體的響應值,但在同樣條件下,每一條曲線的值具有相對的比較意義從圖6中可以看出,在隨機振動激勵下,立柱、梁以f/Hz及側(cè)板的位移響應并不顯著。而頂蓋板以及直接承載圖6機柜各部件的位移響應功率譜圖元器件的插箱則發(fā)生較大的位移響應,其中插箱2底3結(jié)論板的響應最大。這將直接影響電信號的穩(wěn)定性,必須本文根據(jù)有關(guān)標準的要求,對機柜進行瞬態(tài)分析采取措施減小插箱的動力響應。和隨機振動譜分析,在虛擬環(huán)境下,實現(xiàn)了對沖擊和由振動理論可知,模態(tài)分析的結(jié)果只能看出機柜振動的仿真分析得到了機柜各部位的應力和應變值的各階固有頻率和振型,難以判斷各階模態(tài)對整個機并從理論上探討了機柜結(jié)構(gòu)的薄弱部位。為機柜結(jié)構(gòu)柜的影響情況。從圖6中可以看出,位移響應幅值最動態(tài)優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。大的是插箱2和頂蓋板,這是由于當外界激勵在這兩個頻率附近時,插箱2或頂蓋板發(fā)生共振,響應被放參考文獻:大所致。在機柜的另外幾階模態(tài),或由于在其固有頻葉先磊,史亞杰. ANSYS工程分析軟件應用實例[M].率點激勵較小,或由于共振時放大倍數(shù)較小,響應較北京:清華大學出版社,2003小。通過隨機振動分析可以得到機柜中各部件對外界[2]曹樹謙,張文德,蕭龍翔振動結(jié)構(gòu)模態(tài)分析—理論激勵的不同響應情況,從而獲知機柜的薄弱部位,為實驗與應用[M].天津:天津大學出版社,2001機柜的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。[3]楊景義,王信義.試驗模態(tài)分析[M].北京:北京理工大學出版社,1990機柜受到隨機振動時,機柜的橫向鋼支架受到的Dynamic Analysis of Electronic Cabinet in VehiclesHE Xiao-bing, ZHANG Chi-binTH中國煤化工Department of Mechanical Engineering, SoutheastCNMHGAbstract: According to the related standards, transient dynamic analysis and random vibration spectrum analysis were carried out toget its dynamic response characteristicsibration and shock environment so as to find out thelectronic cabinet, which provide more convincing evidence for optimization design in cabinet structure.Key words: y芳數(shù)據(jù) ynamic analysis: random vibration spectrum analy; electronic cabinet