基于ANSYS的鈑金機柜的結構優化設計與動態分析

劉曉琳+沈順強+南江紅

摘要：本文分別從鈑金機柜的總體布局及外購件選型兩方面，探討其結構的優化設計策略，并利用ANSYS對其開展優化分析，以此來提升其低階固有頻率，首先抗震性能的提升。

關鍵詞：ANSYS；鈑金機柜；結構設計

機柜可用于存放各種控制設備與計算機，使設備排列更加整齊有序，從而節省空間，此外，還便于設備的安裝與后續維護。伴隨我國沖壓技術的不斷發展，鈑金機柜憑借其成本低、尺寸精度高、生產效率高、重量輕及便于自動化與機械化等優點，在多領域得到廣泛應用。本文以ANSYS為基礎，對鈑金機柜的結構進行優化設計與分析。

1. 鈑金機柜的結構設計的總體布局

依據用戶所提出的具體要求，機柜需依據GB/T3047.2-97《高度時制為44.45mm的面板、機柜與機架的基本尺寸系列》的標準開展設計，此外，與之相配套的上架插箱，則需依據GB/T3047.4-1986《高度進制為44.45mm的插件、插箱的基本尺寸系列》的相關標準開展設計。在設計鈑金機柜的結構時，機柜的正面需設置為開放式，而其正面立柱則需要依據上述標準，設置系列正方形孔，將其作為安裝卡式浮動螺母，以此來更好的固定面板與插箱。為了便于安裝與維護，機柜的正面需要設計成便于操作的開放式，可以安裝的標準機箱。另外，經三節滾珠導軌，實現機柜與機箱的連接，以此達到便于維護的目的。針對機柜的后面與兩側而言，都要設計成可以拆卸的快鎖門，而且運用螺釘將其固定，以此來達到減噪、防震的目的。在實際設計時，一些用戶會要求從底部進線，為便于裝調人員自機柜正面進行安裝和調試，可以在機柜的底部位置事先預留適當空間，用于安裝諸如信號電纜轉接板等。對于機柜底部的進線孔而言，需設計有防鼠套，預防老鼠進柜，損壞電線。

（1）熱設計。所謂電子設備的熱設計，實際就是整機、組件及電子元件進行升溫控制。至此，對通風結構進行合理化改進，對冷卻空氣的對流加以強化，可實現設備內部溫度的顯著降低。一般情況下，熱空氣要輕于冷空氣，而對于機柜當中的空氣而言，其多為從下往上的流向，所以，在機柜的后面及兩側位置，專門設置一些孔，將其當作進風口，然后與機柜上方，安裝4個風機，將其當作排風口，以此推動機柜當中空氣流動性的增強，形成自然化的對流通道，最終實現散熱。（2）機柜的內部走線。因機柜中的抽箱可以經導軌而拉出的，因此，插箱上所布設的線纜，同樣會隨著插箱的移動而移動，若插箱被推到機柜當中，則其上面的線纜同樣會進入機柜中。所以，怎樣處理插箱上的電纜，使線纜可以隨著插箱移動而移動，且在移動時避免里面的電纜出現相互纏繞的情況，要想實現此點，跟線架的設計便顯得格外重要，在設計鈑金機柜時，可將一個跟線板設置在兩個插箱的中間，事先在跟線板上做好綁線孔，在走線架中，線纜自機柜兩側至插箱之間的跟線板上，線纜經跟線板，至插箱1/2深度尺寸處，然后將其固定，另外，依據實際需要，預留一定長度的活動線纜焊接插頭，將其插到插箱后的插座上，各根線纜均有與之相匹配的插座。此時，將插箱抽出于機柜時，長度為1/2插箱深度尺寸的線纜，便于經機箱后方，折回至機柜當中。此種走線方式，可使線纜更為整齊。

2.外購件的選型

（1）選擇合理的隔震器。在選擇隔震器時，由于用處不同，因此在選擇上會存在差異，比如船用機柜，通常安裝于船艙的主體區，在壽命周期內，要求能夠經受碰撞、沖擊與振動等的考驗。所以，針對此類機柜，通常選用隔振緩沖系統，以此來減緩力學環境對設備的不利影響，如此一來，除了有助于設備可靠性的提升，還能在某種程度上，延長設備的使用壽命。在設計機柜時，由于安裝設備后，其重心基本重合于隔震器支撐平面的重心，因此，可運用4個有著相同垂直承載能力的GH系列鋼絲繩隔震器。由于有著比較高的機柜，為使機柜穩定性增強，在機柜頂部，可安裝2個隔震器，達到隔震緩沖的目的。（2）選擇導軌。在選擇機柜的導軌時，選用市場上常用的三節重型滾珠導軌便可。

3.運用ANSYS優化分析

3.1優化方法

優化變量包含有目標函數、狀態變量與設計變量。設計變量也就是設計參數，在實際優化設計時，需首先確定設計參數。對于狀態變量而言，就是約束條件；目標函數即評價函數，此乃對設計目標優劣進行評價的重要標志。在優化方法方面，主要有兩種，即梯度尋優法與零階法。針對零階法而言，即直接發，此乃一種比較常見的函數逼進優化方法，不易陷進局部極值點，有著比較少的消耗機時，但有著不高的優化精度，所以，多將其用于粗優化。（2）針對梯度尋優法來講，就是運用因變量的一階偏導數。此種方法乃是基于上述方法的改進版。此方法對于有著較大設計空間及因變量變化較大時，比較適用，但有著比較多的機時消耗。所以，首先運用零階方法進行適當的粗優化，將最優解的基本位置初步確定下來，然后運用一階方法，開展精確優化，最終將更精確的解確定下來。需指出的是，在運用第二類梯度尋優開展優化過程中，除了可能會陷入局部最小點之外，還會消耗過長的時間，所以，通常建議運用0階函數逼進來優化subp。

3.2優化結果

經優化，可得知一個14組的優化序列，而且還能知道SET3為最優解，此時的頻率為=-1.3193，而對于1階固有頻率而言，即=40-=38.6806。經優化，得出固有頻率相比于優化前，提升25%。因此，在基本框架保持不變的情況下，強化寬度，對1階固有頻率影響較大，只有經優化，才能找出最合適位置。

4.結語

綜上，在優化設計鈑金機柜的結構時，除了要合理布置機柜的內部之外，還需合理選擇外購件，只有這樣，才能使機柜結構達到最優化。相比于傳統的設計方法，運用ANSYS軟件開展結構模態分析，能夠對設計參數進行優化，大幅縮短產品的設計與制造周期，還能有效規避食鹽所致財力與時間方面的浪費。

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作者簡介：劉曉琳（1989 10 16-）性別：女，民族：漢，籍貫：山東省聊城市，當前職稱：助理工程師，學歷：碩士，研究方向：機柜結構設計.endprint