機柜結構強度和剛度設計淺析

張冰，張煥德

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

機柜結構強度和剛度設計淺析

張冰，張煥德

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

目前，機柜產品的結構越來越被人們所重視，結構質量的好壞直接表現出產品技術水平的高低，因此，在機柜設計中，選擇合理的結構形式，采用起伏成形等工藝，對降低鋼材的消耗，創造直接經濟效益及改善機柜的外觀質量將起著明顯的作用。本文從設計要求切入，并且考慮強度和剛度及總體布局，從而設計出符合用戶要求的產品。

機柜結構；強度；剛度；設計

對機柜及內部器件的使用壽命和可靠性來說，機柜的強度和剛度性能質量如何有著重要的作用。機柜的結構設計，首先要確保整套裝置可以正常工作，在此基礎上，要最大限度的減少原材料的使用，在構件種類的選擇上也要減少，同時，在對構件進行加工工藝時，盡量對其進行簡化，以便更好的達到提高質量、降低成本的作用。

1　影響機柜結構設計的因素

對于電氣控制來說設備來說，機柜的作用是不可替代且不可或缺的，承擔著運載所有服務器的重要作用，機柜要確保能夠達到各電器單元的操作要求，比如，要符合其檢修性能，確保其使用的安全性，同時達到外形統一，整體美觀的效果。

此外，對于機柜本身的設計要牢固可靠、外形美觀，方便各組件之間調整，符號規范，制造的適用性以及針對特殊場合的特殊設計等。在對機柜進行設計時，首先要滿足成套電氣產品使用的可靠性，然后再考慮要符合結構工藝性要求，也就是在對機柜總體或是零部件進行生產時，要充分考慮技術可行性和生產成本經濟性，同時要滿足電器裝配的工藝性和運行中的可維修性要求。

一直以來，我國對機柜的系統設計都不夠重視，只重視電氣設計而不加強結構設計，偏重對主機的設計而疏忽附件，和西方發達國家相比，我國機柜在牢固性、審美性、經濟性等方面都還落后很多，有很大的差距，需要進一步加強引進和學習，尤其在專利技術方面，我們仍然受制于工業發達國家，以至于外商企業占有了我國高端機柜市場的較大份額。機柜結構本身發展形成的各種形式，不同的組件，不同電壓等級，不同使用場合，加工設備的發展，不同生產廠家的自身條件等都決定了控制柜的制造受到甚多因素影響。由于機柜結構要求不一，對于各個企業來說，所采用的加工方法也不一樣，它們的生產制造工藝更是有所差別，但其關鍵部位的工藝確是異曲同工的。

2　機柜立柱截面的正交優化

在對機柜著手設計時，首先要了解所占空間大小和安裝要求，以此來設計機柜的結構形式，其中，最關鍵的步驟就是對機柜立柱的設計，尤其要注意立柱折彎后有沒有裂紋的產生，以及抗扭剛度的強弱，同時要注意到動態性能對機柜整體的影響，而對于鈑金結構來說，其主要是利用彎曲工藝，將型材、板材經過折彎成一定角度再進行焊接或用螺釘組裝，即可構成一幅機柜框架，并且具有眾多的優點。需要注意的是為減少繁冗的計算，需選擇合理的設計方案，此時可選用正交試驗設計來實現。

3　截面

不同的材質和截面，對立柱的抗彎、抗扭剛度的結果也不一樣，在解決實際優化問題時，要先明確設計變量的變化速度，同時最大限度的減少設計數量的多少，盡量將對設計指標影響較小的參數作為給定參數，將對設計指標影響比較明顯的參數作為設計變量，這樣可以減少優化過程，快速得到簡單的數學模型。

（1）截面變量的靈敏度分析。對結構振動系統而言，動態特征靈敏度可理解為結構特征參數對結構參數的改變率。進行結構特征靈敏度分析可以求出結構質量、剛度及阻尼的變化對結構特征值與特征向量改變的敏感程度，從而指示我們修改何處的結構參數對結構系統的動態特征影響最大最為有效。

（2）截面結構優化。通常情況下，人們在對工程結構進行設計的時候，會先將各種方案進行類比選出初始方案，然后對其進行詳細的結構分析和各方面的檢查，對不合理之處再進行修改，最終得到滿意的設計方案，但此方法時間長、成本高、效率低，而且最終方案也不一定就是最優方案，而結構優化設計集力學分析方法、數學規劃、計算機科學以及其它工程科學于一體，它使得結構設計由消極的校核設計變為主動的改善實際，在設計中具有很大的優勢。

4　框架剛度提高過程

（1）模型簡化。①忽略框架上的螺釘、安裝固定等小尺寸開孔。②由于門板、后板、側板、頂板等板件只是起到密封作用，對結構的受力幾乎不產生作用，對機柜的動態特性也沒有什么影響。③將內置通信單元簡化為均布質量，均勻分布于內部安裝框架上。④將螺栓連接簡化為等約束點。

（2）提高剛度的結構設計準則。①用構件受拉、壓代替彎曲。

②合理布置受彎曲零件的支承，以防止對剛度產生不良影響。③加強對受彎曲零件的斷面形狀的設計，最大限度的增大斷面慣性矩。④用預變形抵消工作時的受載變形準則。

5　優化局部剛度

在具體的生產過程中，可以通過棒料的切割來得到立方體的角件，如果要得到三角通件，則需在預焊接形成的角件中定位。首先將圖1中的角件插入到圖2中的角點，并將其焊接牢固。

圖1　　方形加強焊件

圖2　立方焊件加強方式

然后將圖3中的角件焊接到圖4中每個角處，修改模型，將以上環節反復，可以發現其模型各方向上的一階固有頻率有所改善，此時三通焊接件的框架抗變形能力也有所增強。

圖3　　三通加強焊件

圖4　　三通焊件加強方式

6　結語

設計機柜時首先要滿足用戶的技術指標，考慮加工成本決定采取何種加工方式，再進行具體設計。在設計過程中還要考慮機柜的承載能力，各設備單元安裝的方式等因素，使零件設計盡可能簡單、可靠。

[1] 張衛芬.電子機柜分機的結構優化設計[D].中南大學，2006.

[2] 李西安.逆變器柜體靜強度、模態和疲勞強度的研究[D].大連交通大學，2013.

[3] 何基原.某地面雷達發射機通用機柜結構設計研究[J].電子機械工程，2008.

TG385

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1671-0711（2016）09（上）-0102-02