電子機柜結構設計的方案優化

張愛華

摘 要：電子機柜是電子設備發揮功能的基礎保障，其性能影響著電子設備能否正常有效的發揮自身作用。文章在分析現在電子機柜的設計方法的基礎上，利用靈敏度分析和ANSYS軟件對電子機柜的結構設計進行了一定的優化。

關鍵詞：電子機柜；結構設計；靈敏度分析；ANSYS軟件；方案優化

引言

現在社會的發展越來越依賴于電子技術，對電子系統的集成化要求也越來越高。因此，為了滿足現代社會對電子系統的高度集成化的需求，柜式結構開始廣泛的在電子設備的結構設計中出現，我們稱這種電子系統集成的柜式結構為電子機柜，其中，常見的電子機柜主要有控制柜、高壓開關柜、低壓開關柜、配電箱、電池柜（UPS）、配線架、理線器以及機柜鎖等。電子機柜是電子元器件的載體，電子機柜結構的機械性能會對電信號的傳輸以及電子系統的可靠性產生直接的影響。在現在電子機柜的結構設計過程中，新型的高阻尼、高強度材料被廣泛使用，學者也開始致力于研究機柜結構的組裝技術和方法。與此同時，在結構的方案設計階段普遍應用現代設計方法對機柜結構進行機械動態設計和優化。從二十世紀八十年代中期以來，我國電子設備的研制在經歷了引進、仿制和消化階段之后，也紛紛采用高科技設計手段。許多科研院所和機構單位開始改善傳統結構設計的方法，近期，現代設計方法在機柜結構設計領域的應用也取得了不少的成果。

電子機柜是電子設備發揮功能的基礎保障，在電子機柜設計過程中，雖然已經考慮了結構件及相互連接的強度要求，但是由于在車輛、船艦等運載工具中，在振動和沖擊等動態機械力的作用下，也會很容易導致電子機柜發生較大的變形以及對振動沖擊的放大，進而對由機柜支撐的電子元器件及電路的工作穩定性和可靠性產生嚴重影響。

1 現代設計方法在機柜結構設計中的應用

現代設計中的一個重要分支是現代動態設計方法，它是一門迅速發展中的新興技術，該方法涉及了動態分析理論、計算機技術、產品設計理論、系統科學方法和體系。這種方法最大的優點是在設計的階段就可以確定機械結構的靜、動態性能，進而就可以主動地控制結構的靜態特性和動態特性。確定系統輸入、系統輸出、系統特性三者之間的關系是現代動態設計的一個最主要任務，其設計過程主要有以下幾個步驟：首先對結構的動力學模型進行構建，然后開始分析結構的靜態特性和動態特性，最后，根據結構的動態特性要求，修改結構，直至滿足設計要求。

應用現代設計方法對機柜進行優化設計普遍所采用的手段就是應用大型有限元分析軟件，通過構建機柜的有限元模型，對機柜的動態特征和靜態特征進行分析，從而實現電子機柜的優化設計。其中，有限單元法（FEM，Finite Element Method）是在力學模型上近似的數值方法，將被分析的結構直接離散化，使用最小位能原理或虛位移原理等力學基本理論求解。

不可忽視的是，電子機柜因惡劣的機械環境而發生運行故障的情況是很難避免的，這就要求我們在設計過程中對其結構的原始設計方案進行一定的修改，以電子機柜的結構能適應將來面臨的惡劣的機械環境。如果結構修改發生在方案設計階段，則對改善和提離結構的動態特性可收到事半功倍的效果。隨著條件的改善，不少機柜結構已紛紛采用了模態分析來反應機柜的動態特性，為機柜的結構修改提供依據。

現在設計中，多數的設計者選擇對電子機柜的結構動態特性影響最靈敏的變量作為調整的主參數對其結構性能進行優化，這會較大程度地改善其動態特性，有較為重要的實踐意義。在交互式計算機輔助設計中，結構設計工程師可以直接利用靈敏度的信息來改進結構的設計。機構模態的靈敏度分析主要包括系統特征值的靈敏度分析和特征向量的靈敏度分析。文章通過利用靈敏度分析找出需要調整的參數，使用ANSYS軟件進行模擬優化。

2 電子機柜結構設計的方案優化

本部分利用靈敏度分析的方法確定電子機柜結構設計的方案靈敏度較高的參數。按照靈敏度分析結果，并針對具體情況，找出改進電子機柜動態性能的參數，可以得到以下具有指導意義的結論：（1）如果以結構低階頻率的提高作為目標函數，那么應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計變量；（2）以結構振型的幅值作為目標函數，應以該階振型的腹點處的質量分布為設計變量。

基于以上兩點結論，文章通過使用ANSYS軟件對電子機柜進行構建模型，由模態分析可以發現機柜的低階固有頻率，主要是因為機柜的側板的扭轉和彎曲造成的，無加強筋側板的低階振型在板中部的位置的幅值差最大。由上面的結論可知，要想有效的改善機柜整體的動態性能，可以通過提高側板薄弱環節的剛度來實現，而采用加強筋則是一種提高側板剛度的簡單有效的方法。基于以上分析，模型在板的中間部分布置了加強筋，于是，電子機柜側板的剛度得到了明顯的加強；同樣的道理，按照以上的分析結論，并進一步分析電子機柜的模態，可以發現如果將一樣多的材料細分為兩根較小的加強筋布置在側板兩側的位置，可以更為有效的使得結構剛度進一步提高。通過添加加強筋，同樣可以大幅度地提高電子機柜的固有頻率，實現預期設計的最終目的；而如果適當的改變加強筋的分布，會得到更為理想的效果。通過ANSYS軟件的分析可以發現，這時的幅值同時有了較為明顯的下降。

3 結束語

文章通過應用靈敏度分析理論，對以頻率和振型為目標、以結構質量和剛度分布為變量的優化設計方法進行了較為系統地分析，并得到了幾個較為有用的實踐結論，并在此基礎上運用所得到的結論對電子機柜的極為重要的部件——側板進行了動態修改。與傳統的設計方法相比，利用ANSYS軟件對結構模態進行分析，可以實現設計參數的優化，大大縮短產品的設計和制造周期，進而避免由于試驗而造成的時間和財力上的浪費。

參考文獻

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