電子機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方案優(yōu)化

張愛(ài)華

摘 要：電子機(jī)柜是電子設(shè)備發(fā)揮功能的基礎(chǔ)保障，其性能影響著電子設(shè)備能否正常有效的發(fā)揮自身作用。文章在分析現(xiàn)在電子機(jī)柜的設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，利用靈敏度分析和ANSYS軟件對(duì)電子機(jī)柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了一定的優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：電子機(jī)柜；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；靈敏度分析；ANSYS軟件；方案優(yōu)化

引言

現(xiàn)在社會(huì)的發(fā)展越來(lái)越依賴(lài)于電子技術(shù)，對(duì)電子系統(tǒng)的集成化要求也越來(lái)越高。因此，為了滿(mǎn)足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)電子系統(tǒng)的高度集成化的需求，柜式結(jié)構(gòu)開(kāi)始廣泛的在電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)，我們稱(chēng)這種電子系統(tǒng)集成的柜式結(jié)構(gòu)為電子機(jī)柜，其中，常見(jiàn)的電子機(jī)柜主要有控制柜、高壓開(kāi)關(guān)柜、低壓開(kāi)關(guān)柜、配電箱、電池柜（UPS）、配線(xiàn)架、理線(xiàn)器以及機(jī)柜鎖等。電子機(jī)柜是電子元器件的載體，電子機(jī)柜結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能會(huì)對(duì)電信號(hào)的傳輸以及電子系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生直接的影響。在現(xiàn)在電子機(jī)柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，新型的高阻尼、高強(qiáng)度材料被廣泛使用，學(xué)者也開(kāi)始致力于研究機(jī)柜結(jié)構(gòu)的組裝技術(shù)和方法。與此同時(shí)，在結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)階段普遍應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法對(duì)機(jī)柜結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。從二十世紀(jì)八十年代中期以來(lái)，我國(guó)電子設(shè)備的研制在經(jīng)歷了引進(jìn)、仿制和消化階段之后，也紛紛采用高科技設(shè)計(jì)手段。許多科研院所和機(jī)構(gòu)單位開(kāi)始改善傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，近期，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用也取得了不少的成果。

電子機(jī)柜是電子設(shè)備發(fā)揮功能的基礎(chǔ)保障，在電子機(jī)柜設(shè)計(jì)過(guò)程中，雖然已經(jīng)考慮了結(jié)構(gòu)件及相互連接的強(qiáng)度要求，但是由于在車(chē)輛、船艦等運(yùn)載工具中，在振動(dòng)和沖擊等動(dòng)態(tài)機(jī)械力的作用下，也會(huì)很容易導(dǎo)致電子機(jī)柜發(fā)生較大的變形以及對(duì)振動(dòng)沖擊的放大，進(jìn)而對(duì)由機(jī)柜支撐的電子元器件及電路的工作穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

1 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

現(xiàn)代設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要分支是現(xiàn)代動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法，它是一門(mén)迅速發(fā)展中的新興技術(shù)，該方法涉及了動(dòng)態(tài)分析理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論、系統(tǒng)科學(xué)方法和體系。這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)是在設(shè)計(jì)的階段就可以確定機(jī)械結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)性能，進(jìn)而就可以主動(dòng)地控制結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。確定系統(tǒng)輸入、系統(tǒng)輸出、系統(tǒng)特性三者之間的關(guān)系是現(xiàn)代動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的一個(gè)最主要任務(wù)，其設(shè)計(jì)過(guò)程主要有以下幾個(gè)步驟：首先對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行構(gòu)建，然后開(kāi)始分析結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，最后，根據(jù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性要求，修改結(jié)構(gòu)，直至滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法對(duì)機(jī)柜進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)普遍所采用的手段就是應(yīng)用大型有限元分析軟件，通過(guò)構(gòu)建機(jī)柜的有限元模型，對(duì)機(jī)柜的動(dòng)態(tài)特征和靜態(tài)特征進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)電子機(jī)柜的優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中，有限單元法（FEM，F(xiàn)inite Element Method）是在力學(xué)模型上近似的數(shù)值方法，將被分析的結(jié)構(gòu)直接離散化，使用最小位能原理或虛位移原理等力學(xué)基本理論求解。

不可忽視的是，電子機(jī)柜因惡劣的機(jī)械環(huán)境而發(fā)生運(yùn)行故障的情況是很難避免的，這就要求我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)其結(jié)構(gòu)的原始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行一定的修改，以電子機(jī)柜的結(jié)構(gòu)能適應(yīng)將來(lái)面臨的惡劣的機(jī)械環(huán)境。如果結(jié)構(gòu)修改發(fā)生在方案設(shè)計(jì)階段，則對(duì)改善和提離結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性可收到事半功倍的效果。隨著條件的改善，不少機(jī)柜結(jié)構(gòu)已紛紛采用了模態(tài)分析來(lái)反應(yīng)機(jī)柜的動(dòng)態(tài)特性，為機(jī)柜的結(jié)構(gòu)修改提供依據(jù)。

現(xiàn)在設(shè)計(jì)中，多數(shù)的設(shè)計(jì)者選擇對(duì)電子機(jī)柜的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性影響最靈敏的變量作為調(diào)整的主參數(shù)對(duì)其結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行優(yōu)化，這會(huì)較大程度地改善其動(dòng)態(tài)特性，有較為重要的實(shí)踐意義。在交互式計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師可以直接利用靈敏度的信息來(lái)改進(jìn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。機(jī)構(gòu)模態(tài)的靈敏度分析主要包括系統(tǒng)特征值的靈敏度分析和特征向量的靈敏度分析。文章通過(guò)利用靈敏度分析找出需要調(diào)整的參數(shù)，使用ANSYS軟件進(jìn)行模擬優(yōu)化。

2 電子機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方案優(yōu)化

本部分利用靈敏度分析的方法確定電子機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方案靈敏度較高的參數(shù)。按照靈敏度分析結(jié)果，并針對(duì)具體情況，找出改進(jìn)電子機(jī)柜動(dòng)態(tài)性能的參數(shù)，可以得到以下具有指導(dǎo)意義的結(jié)論：（1）如果以結(jié)構(gòu)低階頻率的提高作為目標(biāo)函數(shù)，那么應(yīng)以該階振型的具有較大幅值差的兩自由度之間的連接剛度作為設(shè)計(jì)變量；（2）以結(jié)構(gòu)振型的幅值作為目標(biāo)函數(shù)，應(yīng)以該階振型的腹點(diǎn)處的質(zhì)量分布為設(shè)計(jì)變量。

基于以上兩點(diǎn)結(jié)論，文章通過(guò)使用ANSYS軟件對(duì)電子機(jī)柜進(jìn)行構(gòu)建模型，由模態(tài)分析可以發(fā)現(xiàn)機(jī)柜的低階固有頻率，主要是因?yàn)闄C(jī)柜的側(cè)板的扭轉(zhuǎn)和彎曲造成的，無(wú)加強(qiáng)筋側(cè)板的低階振型在板中部的位置的幅值差最大。由上面的結(jié)論可知，要想有效的改善機(jī)柜整體的動(dòng)態(tài)性能，可以通過(guò)提高側(cè)板薄弱環(huán)節(jié)的剛度來(lái)實(shí)現(xiàn)，而采用加強(qiáng)筋則是一種提高側(cè)板剛度的簡(jiǎn)單有效的方法?；谝陨戏治觯Ｐ驮诎宓闹虚g部分布置了加強(qiáng)筋，于是，電子機(jī)柜側(cè)板的剛度得到了明顯的加強(qiáng)；同樣的道理，按照以上的分析結(jié)論，并進(jìn)一步分析電子機(jī)柜的模態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)如果將一樣多的材料細(xì)分為兩根較小的加強(qiáng)筋布置在側(cè)板兩側(cè)的位置，可以更為有效的使得結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)一步提高。通過(guò)添加加強(qiáng)筋，同樣可以大幅度地提高電子機(jī)柜的固有頻率，實(shí)現(xiàn)預(yù)期設(shè)計(jì)的最終目的；而如果適當(dāng)?shù)母淖兗訌?qiáng)筋的分布，會(huì)得到更為理想的效果。通過(guò)ANSYS軟件的分析可以發(fā)現(xiàn)，這時(shí)的幅值同時(shí)有了較為明顯的下降。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章通過(guò)應(yīng)用靈敏度分析理論，對(duì)以頻率和振型為目標(biāo)、以結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度分布為變量的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了較為系統(tǒng)地分析，并得到了幾個(gè)較為有用的實(shí)踐結(jié)論，并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用所得到的結(jié)論對(duì)電子機(jī)柜的極為重要的部件——側(cè)板進(jìn)行了動(dòng)態(tài)修改。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比，利用ANSYS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)進(jìn)行分析，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化，大大縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造周期，進(jìn)而避免由于試驗(yàn)而造成的時(shí)間和財(cái)力上的浪費(fèi)。

參考文獻(xiàn)

[1]路廷清，顏肖龍，張衛(wèi)芬.基于ANSYS的電子機(jī)柜插箱的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2006（4）：008.

[2]陳酋.電子機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方案優(yōu)化[D].南京：東南大學(xué)，2003.

[3]張衛(wèi)芬.電子機(jī)柜分機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].東南大學(xué)，2006.

[4]張艷麗.電子機(jī)柜結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)和靈敏度分析[D].華北電力大學(xué)（北京），2009.

[5]尹妍.車(chē)載式電子設(shè)備機(jī)柜結(jié)構(gòu)輕型化設(shè)計(jì)[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2010（4）：71-74.