基于HyperWorks的安裝剛度對機柜抗震性能的影響

康文利+李倩+李冬鵬+曹曉政

摘要： 針對通信機柜在抗震測試中常出現柜體傾斜、框架焊接處斷裂等不合格的情況，研究機柜底部安裝孔位處安裝剛度對機柜抗震性能的影響。用Pro/E建立機柜模型，利用HyperWorks對某標準室內通信機柜進行模態分析和結構響應譜分析，模擬安裝孔位厚度變化對機柜抗震性能的影響。研究結果表明：安裝孔位處局部厚度增大能夠使剛度增大，從而提升機柜抗震性能。

關鍵詞： 通信機柜； 抗震試驗； 安裝孔； 厚度； 模態； 響應譜

中圖分類號： TH123.3 文獻標志碼： 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象，通信設備在傳遞抗震救災指揮信息中具有重要的作用，然而通信設備一般都相當昂貴，修復或更換的費用非常高。在通信工程中，通信設備主要的承載體是機柜，研究如何確保其具有足夠的抗震能力，以確保救災通信、減輕災害造成的社會損失具有重要的現實意義。

目前，關于機柜的研究主要集中在選材和結構優化設計方面，對機柜的抗震性能研究較少。國外對機柜的研究起步較早：STEINBERG[1]對如何設計抗強沖擊、振動的電子機柜設備進行一定研究；KAIDY[2]對電子設備如何避免共振問題進行一些探討。國內學者主要對艦載電子機柜和車載電子機柜等移動電子機柜進行抗振分析和動態特性分析。張衛芬[3]和張艷麗[4]均通過有限元法對機柜進行模態分析，對機柜薄弱環節進行優化；李松磊等[5]對機柜的結構設計和選材進行研究。

針對在機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，造成機柜不滿足使用要求的情況，綜合考慮經濟和執行難易程度，分析研究機柜底部安裝孔位處厚度對機柜抗震性能的影響。典型機柜破壞形式見圖1。

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

1 通信機柜結構造型特點分析

機柜產品是以框架為核心的系統構造體，其整體質量和外觀造型由其框架系統的設計所決定，框架系統由緊固件、立柱、橫梁等組成。機柜質量取決于柜體強度與整體造型形態，柜體強度主要取決于機柜框架的強度，而框架強度又由立柱的強度和聯接立柱的聯接角件強度所決定[7]。為方便研究，某19英寸（48.26 cm）標準室內通信機柜以其框架來代替，見圖2。

2 通信機柜有限元模型建立

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

該通信機柜整體尺寸為600 mm（寬）×1 140 mm（深）×2 000 mm（高），機柜框架所用材料為冷軋鋼板Q235，內立柱厚度為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。通信機柜材料參數見表1。

根據實物用Proe/E進行建模，在零件-鈑金件模塊下進行機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-實體模塊下進行拉伸制作，制作完成后進行裝配。

將機柜模型導入到HyperMesh中進行網格劃分，除配重塊采用六面體網格單元劃分外，其余部件均采用殼單元進行劃分，整個網格單元數為345 694個，節點數為380 656個，見圖3。

機柜框架主體部分即立柱與頂框、底框、側梁采用滿焊的連接方式；頂框與頂板、底框與底板采用點焊的連接方式；內立柱與托盤、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單元聯合表示，最后建立材料和屬性并賦值到相應的結構部件。

3 通信機柜的仿真

機柜連接關系設置完成后，設置機柜邊界條件進行模態分析和結構響應譜分析，模擬機柜在配重位置為9U，18U，34U的頻率、位移和應力，其中U為服務器外部尺寸單位（高度或厚度），美國電子工業協會（EIA）規定1U=44.45 mm。

在模態分析中，將機柜底部固定，結構進行有阻尼運動，對電子機柜進行離散化處理，其動力學方程為

系統響應用特征向量X和模態響應d的純量積來描述，即

機柜的動力學方程可轉化為

對機柜模態分析就是求解式（3）的特征值，即特征方程的根Ω2i（i=1，2，…，n），進而求得結構的固有頻率Ωi（i=1，2，3，…，n）。模態分析得到的結果見圖4，機柜的頻率為4.078 Hz，機柜模態位移從下到上逐漸增大。根據抗地震性能檢測規范[8]，對機柜進行8烈度地震波考核。結構響應譜分析中用到的響應譜見圖5。由于仿真結果中位移和應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，響應譜分析結果云圖見圖6。由此可以看出：機柜頂部位移最大；最大應力發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立柱安裝連接部分。

4.1 實驗設計

將裝配有300 kg配重的被測通信機柜通過底部的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采集系統采集數據，對應通信機柜仿真情況進行相應實驗并采集數據，結果

4.2 實驗結果分析比較

由于測試的安裝剛度與分析中的約束剛度有差異，所以分析結果與實驗結果存在誤差。工程中規定誤差值不超過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機柜的最大位移發生在機柜的頂部，最大應力發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立柱的連接部分，位移和應力的變化情況均與圖1機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系正確，可用此模型進行仿真，研究機柜底部安裝剛度對機柜抗震性能提升的影響。

5 仿真分析結果

由上文可知，機柜最大應力主要集中在底部安裝孔位處，綜合考慮經濟因素和執行難易程度，從安裝孔位處厚度入手研究安裝剛度對機柜抗震性能的影響。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，以方便改變厚度進行分析研究。

地震波頻率范圍一般在33 Hz以下，強震部分主要集中在5 Hz以下，所以設備頻率在5 Hz以下時更容易被破壞。選擇機柜的一階頻率進行研究，選擇位移、應力和剛度研究底部安裝孔位厚度對機柜抗震性能的影響。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為質量。由此可以推導出剛度的計算公式為

經測量，機柜框架質量為128 kg，配重為300 kg，則m=428 kg。模態分析和響應譜分析結果見表2。

為更直觀地觀察機柜底部安裝孔位處厚度變化對機柜抗震性能的影響，將所得結果用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-應力曲線，分別見圖9～12。

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

6 結 論

針對19英寸（48.26 cm）標準室內通信機柜，在不影響通信設備安裝的情況下，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，從而可提高機柜的穩定性和抗震性能。參考文獻：

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