機架式服務器緩沖與隔振包裝設計

■ 文/戚德彬，董建華，張小偉

（1.訊牧信息科技（上海）有限公司；2.英業達科技有限公司）

隨著信息化社會的快速發展，以及近年來5G、大數據、人工智能、云計算等行業蓬勃發展，服務器的需求量日益增長。其中19 in（1 in=2.54 cm）工業標準的機架式服務器，因其空間占用少，可拓展性強，適合大規模密集部署等優點，廣泛被企業采用。運輸和裝卸過程中的振動和沖擊是造成機架式服務器結構或功能失效的重要因素[1-2]。機架式服務器緩沖包裝的緩沖性能不足導致貨損將對企業造成巨大損失；未考慮到隔振性能的緩沖包裝將增大機架式服務器交付后的可靠性風險[3]。故而科學的、合理的機架式服務器緩沖和隔振包裝設計就顯得尤為重要。

1 機架式服務器的組成

機架式服務器是配置更高的計算機，一臺機架式服務器通常由機箱、主板、中央處理器及其散熱器、內存、硬盤、風扇模組、電源模組及PCIe擴展卡組成。機箱材質為熱浸鋅鋼板(SGCC)，掛耳材質通常為工程塑料(ABS)，主板材質通常為玻纖布基覆銅板(FR4)[4～5]。機架式服務器的機箱可以看成一個薄壁形的矩形容器，前部兩側為掛耳，掛耳位置一般有電源鍵和一些傳感器；機箱前部有格柵式結構，用于放置硬盤；主板用螺絲鎖固在機箱底面上；風扇模組一般放置在主板正前方；中央處理器及其散熱器用螺絲固定在主板上；內存被固定在主板的內存插槽上；電源模組通常被安置在機箱尾部的一側，呈水平放置或者垂直層疊放置；PCIe擴展卡一般被鎖固在機箱尾部的主板或者主板的轉接卡上；機箱尾部的突出部分有PCIe支架、電源模組的把手和撥片，網卡及顯示器的接口等。

機架式服務器的厚度尺寸用“U”來定義，U是Unit的縮略語，1U等于44.45 mm，2U等于88.9 mm，該尺寸是美國電子工業協會（EIA）規定的，是行業通用標準。以典型的2U機架式服務器為例，其長度不固定，一般為700～900 mm，寬度(加上兩邊掛耳)為482 mm，厚度為88.9 mm。其質量因客戶對硬盤、PCIe擴展卡等配置需求改變而改變，通常情況下2U機架式服務器質量為20～28 kg。

某典型的機架式服務器內部布局見圖1。

圖1 典型2U機架式服務器結構

從沖擊和振動的角度來看，機架式服務器結構典型的薄弱位置一般有三類，具體見表1。

表1 部分結構沖擊測試條件

表1 長邊垂懸對抗壓強度影響

2 機架式服務器的結構特性

2.1 結構仿真分析與結構沖擊測試

機架式服務器在設計階段會進行結構仿真，考察機架式服務器結構在沖擊和振動下的強度，并提出改善建議。根據模態仿真計算的結果，機架式服務器的前幾階模態頻率分布在35～55 Hz，各模態頻率下的模態振型為上蓋和機箱底座上的上下振動。主板的一階模態頻率一般大于70 Hz，一階模態振型為上下振動。

在樣機測試階段，測試人員用沖擊試驗機對機架式服務器裸機進行沖擊測試，驗證結構（包括機殼、部件、連接器和焊點）的沖擊強度[4]，用振動試驗機對機架式服務器裸機進行隨機振動測試，驗證主板及關鍵部件的耐振和功能完整性。結構沖擊測試標準是參考IEC 60068-2-27來制定的，測試時將裸機固定在沖擊試驗機上，裸機底部參考緩沖材料的支撐位置放置支撐塊。測試裝置如圖2所示。

圖2 結構沖擊測試裝置

摘取了部分結構測試條件如表2所示。測試人員對機架式服務器按照下表中的測試條件進行測試，若測試出結構問題則反饋給結構設計人員進行結構改進，直至測試全部完成且測試通過為止。

2.2 緩沖與隔振包裝設計依據

對機架式服務器按照ASTM D3222進行產品破損邊界曲線的測試無疑是復雜的且花費巨大，不同型號的產品之間因為結構及材料的差異產生不同的破損邊界曲線，就算是相同型號的產品，6個沖擊方向也產生6條不同的破損邊界曲線[6-8]。如果嚴格按照這種方法進行設計，不同型號服務器產品緩沖襯墊的尺寸大部分不相同，導致紙箱尺寸不同，甚至棧板尺寸也不同，造成包裝物料無法通用。且破損邊界曲線的測試是在樣機測試階段，往往項目節點也不允許包裝設計介入時間太晚。

因此，需要找到一種簡單且統一的機架式服務器結構強度標準，以利于包裝設計參考，在這個標準下既不產生明顯的過包裝，又能使得大部分的包裝物料得以通用，這是機架式服務器包裝設計的現實需求。

從前面的結構測試標準中可以得到機架式服務器結構強度信息，即測試條件是落在破損邊界曲線[6-7]安全區中的三個點，以40 g作水平線作為臨界加速度線，以1.76 m/s作垂直線作為臨界速度變化量線（見圖3）。需要注意的是，以此形成的“破損邊界曲線”并不能反應產品的真實強度，但是工程上作為緩沖設計依據是足夠的。

圖3 假設的破損邊界曲線

結構仿真分析的結果給隔振包裝設計的參考性在于，緩沖材料的設計需要盡量避開產品本身的前幾階模態頻率，即產品+包裝組成的包裝系統，其振動放大區域的頻率范圍盡量低于35 Hz。如此，運輸過程中的包裝件受到運輸工具的振動激勵時，大于35 Hz以上的振動激勵經過緩沖材料的過濾，傳遞到產品上的振動幅值降低，激發出的產品前幾階共振幅值較小，產品及內部部件較為安全。

3 緩沖與隔振包裝設計

3.1 緩沖包裝設計

發泡聚乙烯(EPE)俗稱珍珠棉，具有化學性能穩定好，緩沖和回彈性好，易加工，可回收等特點，是應用最為廣泛的緩沖材料之一[9]。EPE的緩沖性能是參照GB/T 8167-2008動態緩沖試驗方法經測試得到的，由最大加速度-靜應力曲線來描述。

以某型號機架式服務器產品質量為26 kg，預估的帶包裝毛重為30～32 kg為例，由前面的分析可以得到以下緩沖包裝設計參數：1.跌落高度為510 mm。2.速度變化量大于1.76 m/s時產品所能承受的沖擊加速度幅值為40 g。由EPE廠家Sealed Air提供的，27 kg/m3(1.7 PCF)和35 kg/m3(2.2 PCF)兩種密度的EPE在18 in跌落高度下的最大加速度—靜應力曲線如圖4所示。

圖4 18 in跌落高度最大加速度—靜應力曲線

由機架式服務器尺寸所算出的全面緩沖包裝時每個方向上的最小靜應力為：前后方向：約0.85 PSI，左右方向：約0.5 PSI 上下方向：約0.1 PSI。從圖4中可以看到每個方向上不同厚度下的預估最大加速度，表明每個方向上的緩沖面積均過大，尤其上下方向上采用局部緩沖即可。

運輸容器通常采用瓦楞紙箱，瓦楞紙箱的內尺寸設計不僅僅要考慮緩沖襯墊的厚度，也要考慮與之配合的棧板尺寸，盡量做到紙箱的通用性。國內通用的棧板尺寸有兩個，1 200×1 000 mm是推薦的尺寸。故一個棧板上擺放兩臺機器，1 000 mm方向與機架式服務器長度平行，600 mm方向與機架式服務器寬度平行，如此可以充分利用棧板的空間。

結合圖4中的緩沖性能曲線，考慮到紙箱與棧板的配合和物料的通用性，可以得到各個方向上的最佳緩沖厚度和最佳靜應力值設計參數見表3。

表3 最佳厚度與凈應力值設計參數—考慮緩沖

3.2 隔振包裝設計

EPE緩沖襯墊設計滿足了緩沖性能之后，要考慮隔振性能。由前面的分析可以得到，包裝+產品組成的包裝系統，其振動放大區域小于35 Hz，作為第一個設計目標。EPE的振動傳遞性能是參照GB/T 8169-2008包裝用緩沖材料振動傳遞特性試驗方法經測試得到的，改變緩沖材料所承受的靜壓力值，并將特定的頻率用線段連接起來，形成了耦合區(Coupling Zone)、放大區(Amplification Zone)、衰減區(Attenuation Zone)和共振頻率線，即表述了EPE的振動傳遞性能。由EPE廠家Sealed Air提供的，27 kg/m3(1.7 PCF)和35 kg/m3(2.2 PCF)兩種密度的EPE的振動傳遞性能曲線見圖5。

圖5 EPE振動傳遞特性曲線

以圖5（a）為例，列出了1.7 PCF密度下，2～4 in厚度的EPE泡棉在不同的靜壓力值下的振動傳遞特性。圖的右邊有陸運（Track）和鐵路運輸（Rail），用不同的陰影表示該頻率范圍內的振動激勵幅值較大，即設計上需要避免共振頻率落在陰影范圍內，這是第二個設計目標。

EPE材料是板材，由人工將各個部件熔接起來。因此受EPE緩沖襯墊的結構所限，某些方向上的靜應力值并不能做到很大，通常情況下可以通過凸臺的設計來提高靜壓力值，這樣既不損失跌落狀態下EPE泡棉對產品的支撐，又可以在壓縮量小的振動工況下獲得較大的靜壓力值。

結合圖4的EPE緩沖性能曲線和圖5的EPE振動傳遞特性曲線，可以對表3中的靜壓力值進行修正，修正后的設計參數見表4。

表4 最佳厚度與凈應力值設計參數—考慮緩沖與隔振

4 包裝測試結果

以某典型2U服務器為例，其尺寸長×寬×高為：760 mm×447 mm×89 mm，質量為26 kg。按照第3章的方法，進行EPE緩沖和隔振結構設計，以AB楞瓦楞紙箱作為運輸容器，包裝件內尺寸為960 mm×584 mm×241 mm，質量為31 kg。跌落試驗機型號為：Lansmont PDT 300，跌落高度為510 mm。加速度傳感器的型號為：PCB 356A01，加速度傳感器粘貼在機架式服務器側表面，靠近重的一側且靠近機箱邊緣位置。傳感器安裝位置如圖6所示。

圖6 傳感器安裝位置

包裝件及跌落測試裝置如圖7所示。

圖7 包裝件及跌落測試裝置

分別進行6個面的跌落，跌落測試結果如表5所示。

表5 跌落測試加速度響應參數

對包裝件進行隨機振動測試，隨機振動的加速度功率密度譜(PSD)參照ISTA標準，從振動試驗機的控制界面上可以看到隨機振動的控制PSD曲線和傳感器響應的PSD曲線，得到包裝件的隨機振動響應放大的頻率區域，亦可以看到響應的PSD曲線小于控制PSD曲線的部分，該部分即振動響應衰減區域。放大區域和衰減區域的臨界頻率即交越頻率(Crossover Frequency)。交越頻率和共振頻率的測試結果如表6所示。

表6 隨機振動測試加速度響應參數

5 結 語

傳統的產品破損邊界曲線測試往往耗時耗力，一般企業無力進行，找到一種通用性好且可操作性強的包裝設計標準是企業的現實需求。參考機架式服務器的機械沖擊測試標準，得到了假想的產品破損邊界曲線，可以作為機架式服務器緩沖包裝設計的依據。參考機架式服務器的仿真分析結果，得到隔振包裝設計的目標是振動放大區域最大頻率小于35 Hz，且共振頻率應避開15～20 Hz的范圍。從緩沖材料的緩沖性能曲線和振動傳遞性能曲線中可以得到機架式服務器較為通用的設計參數。通過某型號產品的實測，證實了該設計方法的有效性。包裝設計往往是在用料最省和物料通用性之間找到平衡點，本文的設計方法與思路可以為同類型產品的包裝設計所參考。