基于HyperWorks的安裝剛度對機(jī)柜抗震性能的影響

康文利+李倩+李冬鵬+曹曉政

摘要： 針對通信機(jī)柜在抗震測試中常出現(xiàn)柜體傾斜、框架焊接處斷裂等不合格的情況，研究機(jī)柜底部安裝孔位處安裝剛度對機(jī)柜抗震性能的影響。用Pro/E建立機(jī)柜模型，利用HyperWorks對某標(biāo)準(zhǔn)室內(nèi)通信機(jī)柜進(jìn)行模態(tài)分析和結(jié)構(gòu)響應(yīng)譜分析，模擬安裝孔位厚度變化對機(jī)柜抗震性能的影響。研究結(jié)果表明：安裝孔位處局部厚度增大能夠使剛度增大，從而提升機(jī)柜抗震性能。

關(guān)鍵詞： 通信機(jī)柜； 抗震試驗； 安裝孔； 厚度； 模態(tài)； 響應(yīng)譜

中圖分類號： TH123.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： 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

地震是一種危害極大而又無法避免的自然現(xiàn)象，通信設(shè)備在傳遞抗震救災(zāi)指揮信息中具有重要的作用，然而通信設(shè)備一般都相當(dāng)昂貴，修復(fù)或更換的費(fèi)用非常高。在通信工程中，通信設(shè)備主要的承載體是機(jī)柜，研究如何確保其具有足夠的抗震能力，以確保救災(zāi)通信、減輕災(zāi)害造成的社會損失具有重要的現(xiàn)實意義。

目前，關(guān)于機(jī)柜的研究主要集中在選材和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方面，對機(jī)柜的抗震性能研究較少。國外對機(jī)柜的研究起步較早：STEINBERG[1]對如何設(shè)計抗強(qiáng)沖擊、振動的電子機(jī)柜設(shè)備進(jìn)行一定研究；KAIDY[2]對電子設(shè)備如何避免共振問題進(jìn)行一些探討。國內(nèi)學(xué)者主要對艦載電子機(jī)柜和車載電子機(jī)柜等移動電子機(jī)柜進(jìn)行抗振分析和動態(tài)特性分析。張衛(wèi)芬[3]和張艷麗[4]均通過有限元法對機(jī)柜進(jìn)行模態(tài)分析，對機(jī)柜薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化；李松磊等[5]對機(jī)柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計和選材進(jìn)行研究。

針對在機(jī)柜抗震試驗時常有柜體變形傾斜、焊接處斷裂、安裝固定孔位處撕裂或變形等，造成機(jī)柜不滿足使用要求的情況，綜合考慮經(jīng)濟(jì)和執(zhí)行難易程度，分析研究機(jī)柜底部安裝孔位處厚度對機(jī)柜抗震性能的影響。典型機(jī)柜破壞形式見圖1。

機(jī)柜破壞主要集中在機(jī)柜底部安裝孔位處、立柱與頂框和底框的焊接處，以及內(nèi)立柱與通信設(shè)備的連接部位。本文通過HyperWorks研究機(jī)柜底部安裝孔位處厚度對機(jī)柜抗震性能的影響，并借鑒胡紹貓[6]通過機(jī)柜共振頻率、應(yīng)力和響應(yīng)位移對機(jī)柜進(jìn)行抗震分析的研究思路。

1 通信機(jī)柜結(jié)構(gòu)造型特點(diǎn)分析

機(jī)柜產(chǎn)品是以框架為核心的系統(tǒng)構(gòu)造體，其整體質(zhì)量和外觀造型由其框架系統(tǒng)的設(shè)計所決定，框架系統(tǒng)由緊固件、立柱、橫梁等組成。機(jī)柜質(zhì)量取決于柜體強(qiáng)度與整體造型形態(tài)，柜體強(qiáng)度主要取決于機(jī)柜框架的強(qiáng)度，而框架強(qiáng)度又由立柱的強(qiáng)度和聯(lián)接立柱的聯(lián)接角件強(qiáng)度所決定[7]。為方便研究，某19英寸（48.26 cm）標(biāo)準(zhǔn)室內(nèi)通信機(jī)柜以其框架來代替，見圖2。

2 通信機(jī)柜有限元模型建立

通信機(jī)柜的有限元模型可以用以下2種方法進(jìn)行建模：一是通過HyperWorks自帶的有限元建模模塊Inspire進(jìn)行建模；二是通過三維建模軟件進(jìn)行建模，再導(dǎo)入到HyperWorks的HyperMesh模塊中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本文選擇第二種方式，即先用三維建模軟件Pro/E參照機(jī)柜實物進(jìn)行建模，然后導(dǎo)入到HyperMesh中進(jìn)行專業(yè)的網(wǎng)格劃分，最后施加邊界條件并用Optistruct模塊進(jìn)行模態(tài)分析、直接頻率響應(yīng)分析和響應(yīng)譜分析求解。endprint

該通信機(jī)柜整體尺寸為600 mm（寬）×1 140 mm（深）×2 000 mm（高），機(jī)柜框架所用材料為冷軋鋼板Q235，內(nèi)立柱厚度為2 mm，其余部件厚度為2.5 mm；配重塊為鐵塊（代替通信設(shè)備），尺寸為423 mm（寬）×600 mm（深）×50 mm（高），共3塊，每塊重100 kg；安裝配重塊的鐵片厚度為10 mm。通信機(jī)柜材料參數(shù)見表1。

根據(jù)實物用Proe/E進(jìn)行建模，在零件-鈑金件模塊下進(jìn)行機(jī)柜主框架鈑金件的折彎制作，然后用切除和拉伸命令完成安裝孔的制作，配重及安裝鐵片在零件-實體模塊下進(jìn)行拉伸制作，制作完成后進(jìn)行裝配。

將機(jī)柜模型導(dǎo)入到HyperMesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，除配重塊采用六面體網(wǎng)格單元劃分外，其余部件均采用殼單元進(jìn)行劃分，整個網(wǎng)格單元數(shù)為345 694個，節(jié)點(diǎn)數(shù)為380 656個，見圖3。

機(jī)柜框架主體部分即立柱與頂框、底框、側(cè)梁采用滿焊的連接方式；頂框與頂板、底框與底板采用點(diǎn)焊的連接方式；內(nèi)立柱與托盤、橫梁、配重采用螺栓連接的方式。滿焊部分采用node-to-node剛性單元連接表示，點(diǎn)焊部分采用acm（equivalence-（T1+T2）/2）單元表示，螺栓連接部分用multiple nodes-calculate node剛性單元和bars單元聯(lián)合表示，最后建立材料和屬性并賦值到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)部件。

3 通信機(jī)柜的仿真

機(jī)柜連接關(guān)系設(shè)置完成后，設(shè)置機(jī)柜邊界條件進(jìn)行模態(tài)分析和結(jié)構(gòu)響應(yīng)譜分析，模擬機(jī)柜在配重位置為9U，18U，34U的頻率、位移和應(yīng)力，其中U為服務(wù)器外部尺寸單位（高度或厚度），美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）規(guī)定1U=44.45 mm。

在模態(tài)分析中，將機(jī)柜底部固定，結(jié)構(gòu)進(jìn)行有阻尼運(yùn)動，對電子機(jī)柜進(jìn)行離散化處理，其動力學(xué)方程為

系統(tǒng)響應(yīng)用特征向量X和模態(tài)響應(yīng)d的純量積來描述，即

機(jī)柜的動力學(xué)方程可轉(zhuǎn)化為

對機(jī)柜模態(tài)分析就是求解式（3）的特征值，即特征方程的根Ω2i（i=1，2，…，n），進(jìn)而求得結(jié)構(gòu)的固有頻率Ωi（i=1，2，3，…，n）。模態(tài)分析得到的結(jié)果見圖4，機(jī)柜的頻率為4.078 Hz，機(jī)柜模態(tài)位移從下到上逐漸增大。根據(jù)抗地震性能檢測規(guī)范[8]，對機(jī)柜進(jìn)行8烈度地震波考核。結(jié)構(gòu)響應(yīng)譜分析中用到的響應(yīng)譜見圖5。由于仿真結(jié)果中位移和應(yīng)力變化趨勢都是一致的，云圖僅以配重位置為9U，18U和34U無斜撐的情況為代表，響應(yīng)譜分析結(jié)果云圖見圖6。由此可以看出：機(jī)柜頂部位移最大；最大應(yīng)力發(fā)生在底部安裝螺栓固定孔位處，其次是框架焊接部分和配重與內(nèi)立柱安裝連接部分。

4.1 實驗設(shè)計

將裝配有300 kg配重的被測通信機(jī)柜通過底部的4個安裝固定孔位安裝在槽鋼上[9]，通過槽鋼固定在三方向六自由度的地震模擬振動臺上，在機(jī)柜主框架及振動臺上粘貼PCB加速度傳感器，采用LMS采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，對應(yīng)通信機(jī)柜仿真情況進(jìn)行相應(yīng)實驗并采集數(shù)據(jù)，結(jié)果

4.2 實驗結(jié)果分析比較

由于測試的安裝剛度與分析中的約束剛度有差異，所以分析結(jié)果與實驗結(jié)果存在誤差。工程中規(guī)定誤差值不超過10%即滿足要求[10]，誤差計算公式為

圖4仿真值為4.078 Hz，圖7實驗值為3.906 Hz。通過計算可以得出δ=4.40%<10%，滿足工程誤差的要求。

圖6機(jī)柜的最大位移發(fā)生在機(jī)柜的頂部，最大應(yīng)力發(fā)生在底部安裝固定孔位處，其次是主框架焊接部分和配重與內(nèi)立柱的連接部分，位移和應(yīng)力的變化情況均與圖1機(jī)柜實際破壞情況相符。由此可證明有限元模型以及所建立的邊界條件和連接關(guān)系正確，可用此模型進(jìn)行仿真，研究機(jī)柜底部安裝剛度對機(jī)柜抗震性能提升的影響。

5 仿真分析結(jié)果

由上文可知，機(jī)柜最大應(yīng)力主要集中在底部安裝孔位處，綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素和執(zhí)行難易程度，從安裝孔位處厚度入手研究安裝剛度對機(jī)柜抗震性能的影響。在HyperMesh中將安裝孔位周圍局部（見圖8深色部分）移動至新建層中，以方便改變厚度進(jìn)行分析研究。

地震波頻率范圍一般在33 Hz以下，強(qiáng)震部分主要集中在5 Hz以下，所以設(shè)備頻率在5 Hz以下時更容易被破壞。選擇機(jī)柜的一階頻率進(jìn)行研究，選擇位移、應(yīng)力和剛度研究底部安裝孔位厚度對機(jī)柜抗震性能的影響。此處研究厚度T范圍為1.5～3.5 mm，厚度間隔為0.2 mm的變化趨勢。

頻率f的計算公式為

式中：k為剛度；m為質(zhì)量。由此可以推導(dǎo)出剛度的計算公式為

經(jīng)測量，機(jī)柜框架質(zhì)量為128 kg，配重為300 kg，則m=428 kg。模態(tài)分析和響應(yīng)譜分析結(jié)果見表2。

為更直觀地觀察機(jī)柜底部安裝孔位處厚度變化對機(jī)柜抗震性能的影響，將所得結(jié)果用MATLAB擬合成厚度-頻率曲線、厚度-剛度曲線、厚度-位移曲線和厚度-應(yīng)力曲線，分別見圖9～12。

由仿真分析結(jié)果可以看出：局部厚度增加能夠提高機(jī)柜的抗震性能；隨著安裝孔位置厚度的增加，機(jī)柜的頻率和剛度先呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，然后趨于平緩升高；位移和應(yīng)力先呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，然后趨于平緩下降。從表2的數(shù)值中可以看出，安裝孔位置厚度變化對安裝孔處局部應(yīng)力影響最為明顯，厚度增加能夠顯著減小機(jī)柜安裝孔處應(yīng)力。

6 結(jié) 論

針對19英寸（48.26 cm）標(biāo)準(zhǔn)室內(nèi)通信機(jī)柜，在不影響通信設(shè)備安裝的情況下，通過在安裝孔位局部增加墊片能使安裝剛度提高，簡便易行，從而可提高機(jī)柜的穩(wěn)定性和抗震性能。參考文獻(xiàn)：

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