抱桿安裝的通信設(shè)備動(dòng)力特性分析

汲書強(qiáng)，孫國(guó)良，周金榮，黃維學(xué)

（保定泰爾通信設(shè)備抗震研究所，河北 保定 071051）

0 引 言

通信應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)遍布人們的生產(chǎn)和生活，成為名副其實(shí)的生命線工程[1]。通信工程在地震中，不但要避免人員傷亡，做到通信建筑大震不倒，更要做到通信設(shè)備大震中不喪失基本通信功能，避免產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失，保證地震時(shí)抗震救災(zāi)和抗震搶險(xiǎn)工作的順利開展。

地震波為一種復(fù)雜的隨機(jī)波，具有不可重復(fù)特性。根據(jù)國(guó)內(nèi)外大量實(shí)震記錄得出的統(tǒng)計(jì)規(guī)律表明地震波的卓越頻率在1～35 Hz以內(nèi)[2]。由于通信設(shè)備自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其前一兩階固有頻率多在地震波的卓越頻率范圍內(nèi)。在震害發(fā)生時(shí)，如果設(shè)備的固有頻率與地震波的卓越頻率接近，就會(huì)產(chǎn)生共振。因此，通信設(shè)備的動(dòng)力特性某些程度上反映了其抗震性能的好壞。設(shè)備的動(dòng)力特性是指結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼比和振型等參數(shù)，是設(shè)備的固有特性，是進(jìn)行設(shè)備抗震等動(dòng)態(tài)載荷分析的必要基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性可以為在動(dòng)態(tài)載荷中避免設(shè)備有過大的振動(dòng)，評(píng)估載荷的放大作用提供參考，以便對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)修改，適應(yīng)地震等振動(dòng)環(huán)境的要求。

通信設(shè)備種類越來越多，使用環(huán)境和安裝方式多種多樣，根據(jù)實(shí)際工程需要，現(xiàn)在有機(jī)房?jī)?nèi)對(duì)地連接、掛墻安裝、室外塔頂、抱桿等安裝方式[3]。3G網(wǎng)絡(luò)大量使用分布式基站架構(gòu)[4]，分布式基站RRU（radio remote unit）室外安裝主要采用抱桿連接方式，但對(duì)其動(dòng)力特性研究甚少。該文使用有限元分析和試驗(yàn)分析相結(jié)合的方法，對(duì)抱桿式安裝的設(shè)備動(dòng)力特性影響因素進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)對(duì)象

該文選取的研究對(duì)象從結(jié)構(gòu)組成上來說，分為抱桿、要安裝的設(shè)備、連接抱桿和設(shè)備的抱桿安裝件3個(gè)部分。

選取的某型號(hào)設(shè)備整機(jī)外形尺寸為680mm（高）×355.8mm（寬）×480mm（深），質(zhì)量為 53kg。整機(jī)機(jī)箱由2個(gè)機(jī)箱組成，每個(gè)機(jī)箱主體材料為1.0mm的熱鍍鋅板，右側(cè)4根橫梁采用1.5 mm的熱鍍鋅板，頂罩和后罩均采用1.0mm厚的防銹鋁板。機(jī)箱主要通過鉚接成型，零件間有部分焊接點(diǎn)，兩機(jī)箱間通過螺釘聯(lián)結(jié)固定在一起，設(shè)備采用抱桿正面連接安裝。試驗(yàn)中模擬抱桿是高度2000mm，直徑80mm，壁厚5 mm的鋼管，抱桿底板是500 mm（長(zhǎng)）×500 mm（寬），壁厚10mm的鋼板，抱桿總質(zhì)量為38kg，連接工藝為焊接。

此次試驗(yàn)中抱桿安裝件（如圖1）尺寸為610 mm（高）×285mm（寬）×403mm（底部安裝橫梁長(zhǎng)）。抱桿安裝件是由固定板、加強(qiáng)梁、橫梁和2個(gè)L型支架組成，固定板、加強(qiáng)梁、橫梁均為2.0 mm厚的熱鍍鋅板，L型支架為3.0mm厚冷軋板，L型支架折邊處焊接，并有加強(qiáng)板螺釘連接。設(shè)備通過抱桿安裝件與抱桿連接。

圖1 抱桿安裝件示意圖

圖2 通信工程中常用的抱桿安裝方式

通信工程建設(shè)中常采用的抱桿有配重式抱桿、鐵塔抱桿、附墻式抱桿、鐵塔平臺(tái)延伸抱桿等多種方式[5]，如圖2所示。該文把工程實(shí)際中抱桿作了一個(gè)統(tǒng)一和簡(jiǎn)化，設(shè)定抱桿底部與地面直接相連接，設(shè)備底面與地面的安裝距離為1 000 mm，以研究和分析抱桿與設(shè)備組成的系統(tǒng)之間的聯(lián)系和影響。

2 有限元分析

根據(jù)模態(tài)分析得到的固有頻率及相應(yīng)的振型，判斷結(jié)構(gòu)在地震作用下是否會(huì)發(fā)生共振。如果設(shè)備某階振型的固有頻率與地震波的卓越頻率接近，那么設(shè)備在該頻率下就可能發(fā)生相應(yīng)振型的強(qiáng)烈共振，從而導(dǎo)致設(shè)備功能中斷，發(fā)生損壞。

2.1 模態(tài)分析理論

由彈性力學(xué)有限元法可知，抱桿式安裝的通信設(shè)備運(yùn)動(dòng)方程可以寫成

式中：[M]，[C]，[K]——質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；

{F（t）}——結(jié)構(gòu)激勵(lì)向量，{F（t）}={f1，f2，…，fn}。若去掉激勵(lì)，忽略阻尼，則得到典型的結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程為

令{X}={φ}sin（ωt+φ），則有

將式（3）代入式（2），可得結(jié)構(gòu)振動(dòng)的特征方程

模態(tài)分析就是計(jì)算該特征方程的特征值及其對(duì)應(yīng)的特征向量{Φi}。對(duì)此廣義特征值問題，ANSYS11.0軟件提供了7種求解方法，該文采用Subspace法求解該特征方程[6]。

2.2 模型建立

文中采用SolidWorks 2007建立設(shè)備的實(shí)體模型，在ANSYS中導(dǎo)入進(jìn)行動(dòng)力特性分析。電信設(shè)備內(nèi)部插接件構(gòu)成復(fù)雜，建模時(shí)，忽略了機(jī)箱、抱桿和安裝架中一些倒角和工藝小孔等特征，對(duì)插接的電路板和一些電子元器件則進(jìn)行了相同的質(zhì)量采用平均分布的方法進(jìn)行模擬，從而使得建立的設(shè)備模型作了一定程度的簡(jiǎn)化，有利于有限元分析時(shí)模型的網(wǎng)格劃分，提高計(jì)算效率，而又不影響設(shè)備的結(jié)構(gòu)特性[7-8]。分析時(shí)，模擬電信工程中的實(shí)際安裝方式，抱桿底部固定。

安裝完整的實(shí)體模型共含有88個(gè)實(shí)體模塊，分析節(jié)點(diǎn)193545個(gè)，劃分網(wǎng)格共計(jì)99035個(gè)。計(jì)算所得簡(jiǎn)化模型總質(zhì)量約為98.72kg，其中抱桿約38kg，分布式基站質(zhì)量約為53kg。與前述介紹的實(shí)際設(shè)備比較可知，該實(shí)體簡(jiǎn)化模型在各種情況下的質(zhì)量參數(shù)與設(shè)備實(shí)際質(zhì)量基本一致。在有限元模態(tài)分析中，主要選用的是Solid45號(hào)單元，網(wǎng)格劃分采用自由網(wǎng)格劃分，連接方式按照工程實(shí)際進(jìn)行模擬。分布式基站抱桿安裝建立的模型如圖3所示。

圖3 設(shè)備有限元分析中建立的模型

2.3 動(dòng)力響應(yīng)影響參數(shù)分析

前5階計(jì)算模態(tài)固有頻率結(jié)果見表1。

實(shí)體簡(jiǎn)化模型的一階固有頻率為6.885 Hz，振型為X方向一階彎曲，振型如圖4所示。

實(shí)體簡(jiǎn)化模型的二階固有頻率為7.156 9 Hz，振型為Z方向一階彎曲，振型如圖5所示。

圖4 模型一階振型

表1 前5階計(jì)算模態(tài)固有頻率

圖5 模型二階模型

圖6 設(shè)備試驗(yàn)時(shí)的安裝圖

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

在有限元分析基礎(chǔ)上，依據(jù)YD5083-2005《電信設(shè)備抗地震性能檢測(cè)規(guī)范》對(duì)該設(shè)備進(jìn)行了大型液壓振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究。液壓振動(dòng)臺(tái)工作頻率范圍是1～35Hz，最大載荷2t，最大加載加速度為2g。把設(shè)備按照工程連接方式安裝在抱桿上，抱桿底部用4個(gè)M12螺栓直接與臺(tái)面連接至振動(dòng)臺(tái)上，如圖6所示。

此次試驗(yàn)的動(dòng)力特性測(cè)試所采用方法為白噪聲激振法，輸入的頻率范圍為0.5～35Hz?？紤]到輸入加速度幅值對(duì)通信設(shè)備在動(dòng)力特性測(cè)試過程中不應(yīng)受到損害，取其加速度值為0.1 g，激振持續(xù)時(shí)間為120s。1個(gè)加速度傳感器布置在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上，另外3個(gè)加速度傳感器均勻分布在設(shè)備的主框架上，共計(jì)布置了4個(gè)測(cè)點(diǎn)。試驗(yàn)中選用了美國(guó)ENDEVCO公司的變電容式加速度傳感器，量程為±10 g，測(cè)量頻率范圍為 0～500Hz。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖7為被測(cè)設(shè)備X方向一階彎曲的固有頻率曲線，圖8為Z方向一階彎曲的固有頻率曲線，分別是 5.468Hz和 6.249Hz。

4 結(jié)束語

通信設(shè)備的抗震性能取決于設(shè)備本機(jī)的抗震性能和安裝系統(tǒng)兩方面。通信設(shè)備的固有頻率大都為1～10 Hz，與地震波的卓越頻率非常接近，容易在地震中產(chǎn)生共振，必須在設(shè)計(jì)中提高其固有頻率，減少地震的影響。

從總體上說，設(shè)備與安裝的抱桿的相互作用對(duì)自身的動(dòng)力特性影響較大。自身頻率高的抱桿，可以有效提升整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力特性，但抱桿的安裝件的剛度直接決定了設(shè)備的動(dòng)力反饋?zhàn)饔谩２捎帽U安裝方式的通信設(shè)備的固有頻率取決于抱桿、安裝設(shè)備的質(zhì)量和安裝高度3個(gè)方面。實(shí)際工程中采用的抱桿對(duì)系統(tǒng)的固有頻率影響最大，抱桿可以較大程度地提升整個(gè)系統(tǒng)的固有頻率。設(shè)備在抱桿上的安裝高度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力特性影響也較大，通過比較分析，建議在工程實(shí)際中采用剛度較高的抱桿，質(zhì)量大的設(shè)備盡量安裝在抱桿的下段，以改善系統(tǒng)的動(dòng)力特性，增強(qiáng)系統(tǒng)抗震性能。

從模態(tài)分析和試驗(yàn)分析得到的結(jié)果可以看出，文中采取的方法得出的頻率誤差都在允許的誤差范圍內(nèi)，表明簡(jiǎn)化的有限元模型和對(duì)原型設(shè)備采用的試驗(yàn)方法都能夠較準(zhǔn)確地反映出設(shè)備的振動(dòng)特性。在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)行設(shè)備的改進(jìn)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高設(shè)備的抗震性能。

[1] 汲書強(qiáng)，周金榮.通信工程建設(shè)的抗震設(shè)防[J].當(dāng)代通信，2006，13（6）：69-70.

[2]YD5083—2005電信設(shè)備抗地震性能檢測(cè)規(guī)范[S].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006.

[3]YD5059—2005電信設(shè)備安裝抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006.

[4] 張范明，黎建波.分布式基站：3G建設(shè)中大顯身手[J].山東通信技術(shù)，2009，29（1）：46-47.

[5] 中國(guó)電子報(bào).全新GSM建網(wǎng)體驗(yàn)[EB/OL].[2010-09-15].http：∥news.ccidnet.com/art/1032/20071024/1252141_1.html.

[6] 秦宇.ANSYS11.0基礎(chǔ)與實(shí)例教程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[7] 李長(zhǎng)春.SolidWorks2007基礎(chǔ)教程[M].北京：北京大學(xué)出版社，2009.

[8] 詹迪維.SolidWorks快速入門教程（2007）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.