基于ANSYS Workbench通信機柜的抗震分析

胡紹貓

（京信通信技術（廣州）有限公司，廣東廣州 510660）

0 引言

地震是一種常見而又危害極大的自然現象，最近幾年發生在中國的幾次大地震，給人們的生命財產及安全都帶來了巨大的災難。通信工程作為生命線工程，它的破壞不僅僅危及人們的財產安全，還給震后的搶險救災、人員搜救等工作帶來巨大的困難。而作為通信工程中設備主要承載體的機柜，如何確保其在地震中有足夠的抗震能力，以減輕災害造成的社會損失就已成為工程界最為關心的問題。

目前，國內外對通信電子設備機柜地震的響應分析研究主要偏重理論計算和經驗的建立，而用數值模擬來輔助機柜抗震分析設計的很少。鑒于此，本文按照地震試驗的相關要求，結合大型有限元分析軟件ANSYS Workbench，對通信電子設備機柜進行地震的數值模擬及深入分析研究，得出機柜結構在一定頻率范圍內地震振動下的響應，為通信機柜的抗震設計提供一定的參考價值。

1 抗震分析方法概述[1-2]

結構物抗震分析方法分為3類：靜力法、時程分析法和振型反應譜法。靜力法是日本大房森教授于1899年提出的，它將結構物視為一剛體，假設只有地面運動所引起的慣性力在起作用，把慣性力作為靜力作用于結構物，進行抗震計算。但是，結構物在地震過程中是會發生變形的，靜力法已遠遠不夠適用。時程分析法是20世紀70年代提出的，該方法輸入與結構物所在場地相應的地震波作為地震作用，由初始狀態開始，一步一步地逐步積分，直至地震作用終了。但時程分析法地震波的選取沒有確定依據，且計算工作量大，考慮的繁雜因素多，因此一般只在規定的建筑場合中使用。

而振型反應譜法是將結構物簡化為多自由度體系，多自由度體系的地震反應可以按照振型分解為多個單自由度體系反應的組合，每個單自由度體系的最大反應可以從反應譜中求得，然后再按照一定的振型組合法則，求出結構的地震總反應。目前廣泛應用的是振型反應譜法，主要用于確定結構對時間變化載荷，如地震、風載、火箭發動機振動等的動力響應情況。

利用有限元軟件ANSYS Workbench進行機柜地震試驗的數值模擬和抗震分析，主要包括以下幾個步驟：（1）建立有限元模型，即建立模型的幾何形狀，定義材料性質、單元網格的劃分和施加邊界條件等；（2）進行模態求解；（3）振型反應譜分析及計算；（4）觀察結果及分析。

2 通信機柜結構的抗震分析

2.1 有限元模型建立

目前，ANSYS Workbench支持兩種有限元模型的建立，一種是利用ANSYS Workbench自帶的幾何建模模塊根據設計圖紙直接建立，另一種則是通過其他造型軟件如Pro/E等建立幾何模型，再利用ANSYS Workbench的導入接口導入已建立的模型文件來建立[3]。為提高建模效率，本文所研究的通信機柜，其有限元模型的建立采用第二種建模方式，即通過造型軟件Pro/E所建立的機柜模型直接導入ANSYS Workbench而得到。此處需強調的是，因Pro/E所建立的模型較為復雜，在模型導入ANSYS Workbench前，需對模型做簡化處理，否則會導致ANSYS Workbench處理時間太長或出錯。簡化主要有兩個方面，一是刪除機柜結構中對仿真結果無影響的一些結構細節，如導圓角等；二是對放置機柜內的繁雜剛性體，如電源和插箱等，用等效質量剛體替代。

本文所研究的通信機柜整體模型尺寸為600 mm×600 mm×2 170 mm，機柜材料主要有兩種，為冷軋鋼板Q235和不銹鋼316，分別賦予相應的結構元件，其材料的參數見表1所示。網格劃分采用智能網格劃分，并設置相應的控制單元大小。機柜有限元結構網格劃分如圖1所示。

表1 通信機柜材料參數

圖1 通信機柜網格劃分圖

2.2 模態分析

模態分析用于確定通信機柜設計結構的振動特性，即機柜結構的固有頻率和振型，其分析結果是通信機柜承受動態載荷結構設計中的重要參數。同時，也是通信機柜抗震分析的起點。

由于模態分析屬于動態分析中的固有特性分析，固有特性由固有頻率、振型等一組模態參數構成，它由結構本身（質量與剛度分布）決定，而與外部載荷無關[4]。所以，在用ANSYS Work?bench對通信機柜進行模態分析時，只在機柜底部預留的螺釘固定處，創建4個安裝點，并對其完全約束，不需施加任何載荷，依據經驗提取前8階自振頻率和振型，得到機柜的自振頻率如表2所示。

表2 自振頻率列表

從上述模態分析的結果可以看出，本文所研究的通信機柜其自振頻率較低，地震波低頻段的響應對其影響較大。

2.3 振型反應譜分析

振型反應譜法對通信機柜結構進行抗震分析，對應于ANSYS Workbench下的響應譜分析技術。它是一種將模態分析結果與一個已知頻譜聯系起來計算模型應力的分析技術。

振型反應譜分析分為單點反應譜分析和多點反應譜分析。單點振型反應譜分析，是指在模型的一個點集上指定一個反應譜響應；多點振型反應譜分析，則是在模型的不同點集上指定不同的反應譜響應。根據通信機柜地震試驗的要求，宜采用單點反應譜響應分析，即地震加速度譜施加在通信機柜4個螺釘固定安裝處，作用方向為水平方向。

振型組合方法，選用抗震分析推薦的平方和開平方法（SRSS）對振型進行組合，求取結構體的最大綜合反應。

地震頻譜，則是通信機柜在振型反應譜法中需輸入的另一個重要參數，在本例中，地震頻譜曲線選自《Network Equipment-Building System(NEBS)Requirements:Physical Protection》地震試驗條件中，地震烈度最為強烈的區域4的地震頻譜，其頻譜數據如表3所示[5]。

表3 地震頻譜表

2.4 結果分析

圖2 通信機柜等效應力圖

通過以上仿真計算，求得通信機柜在地震強度下的等效應力（如圖2所示）和水平方向變形圖（如圖3所示）。從仿真結果來看，應力最大值為53.4 MPa，發生在通信機柜底座安裝處，其材料為Q235，屈服極限σs為235 MPa，安全因子n為1.67，根據σ≤σs/n=235/1.67=140.7 MPa，可知該通信機柜強度滿足抗震的強度要求。從機柜水平方向變形圖可知，機柜變形最大值出現在機柜安裝插箱處，其值為15.5 mm，少于《Network Equipment-Building System(NEBS)Requirements:Physical Protection》地震實驗要求中最大變形值的70 mm，可知該機柜滿足地震試驗的變形要求。

綜合以上分析，仿真結果表明該通信機柜滿足地震試驗的抗震要求。

圖3 通信機柜水平方向變形圖

3 結論

本文根據地震反應譜理論和地震試驗的相關要求，并結合大型有限元分析軟件ANSYS Work?bench，對通信電子設備機柜進行地震的數值模擬及深入分析研究，從而得出機柜結構在一定頻率范圍內地震振動下的響應，為通信機柜的抗震設計提供了行之有效的方法，對通信機柜的安全性設計具有一定的參考價值。

［1］GB50011-2010.建筑抗震設計規范［S］.

［2］孫佳，許京荊，翁健.基于ANSYS Workbench高壓電阻箱式結構的抗震分析［J］.機械設計，2012（2）：72-74.

［3］李兵，何正嘉，陳雪峰.ANSYS Workbench設計、仿真與優化［M］.北京：清華大學出版社，2008.

［4］杜平安，甘娥忠，于亞婷.有限元法-原理、建模及應用［M］.北京：國防工業出版社，2006.

［5］ NEBS GR-63-CORE， Network Equipment-Building System （NEBS） Requirements： Physical Protection［S］.