车载电子机柜的动力学分析

第1期(总第134期)机械工程与自动化2006年2月MECHANICAL enGineerinG & AUTOMATIONFeb文章编号:1672-6413(2006)01-0046-03车载电子机柜的动力学分析何小兵,张赤斌,颜肖龙(东南大学机械工程系,江苏南京210096)摘要:根据相关标准的要求,对电子机柜进行了瞬态动力学分析和随杋振动谱分析,模拟实际要求的激励实现对冲击和振动的仿真分析,得到了电子机柜各部位的应力和应变值,找岀了电子杋柜结构的薄弱部位,为其结构动态优化设计提供了依据关键词:瞬态动力学分析;随机振动谱分析;电子机柜中图分类号:TM59文献标识码:A0引言力学仿真。冲击脉冲波形:半正弦;脉冲加速度:30g;电子机柜是高集成度电子设备的支撑基础,其外持续时间:0.011s。具体的数学描述为形结构见图1,它主要由立柱、横梁、外侧板、插箱和Asina,0≤t≤0.011。…………(1)盖板等组成。现代工业应用对电子设备的要求越来越式中:x—位移,mm高,电子设备系统设计除了满足产品的电性能指标外,A—振幅,A=30g=294mm/s2;还应研究和解决设备在动态环境下的工作可靠性以及角频率,=285.45抵御恶劣环境的能力。本文从工程应用出发,利用软t—时间,s。件工具对机柜结构进行瞬态动力学仿真和随机振动谱1·1建立用于机柜瞬态分析的模型分析,研究机柜的动态特性和动态响应,以便在结构文中分析的机柜采用了铝型材框架结构,由于铝的方案论证时就可预估机柜的薄弱环节,为机柜结构型材较差的焊接性能,机柜全部采用了螺栓紧固件联动态优化设计提供依据。接方式。为了增加立柱与上、下横梁的联接紧固性,设计了三面联接的联接块。利用有限元分析软件 ANSYS对机柜进行仿真。顶盖板有限元模型采用以梁单元为主的建模方式,对立柱与支架外侧板梁的螺栓联接处采用节点融合的方式进行处理。在求插箱解时给机柜底座的各支点施加零位移全约束立柱1.2机柜瞬态动力学结果分析图2列出了机柜底座4个支点的支反力F随时横梁下盖板间变化的曲线图。从图2可以知道4个支点中第4点的支反力较大,第2点较小,第1点与第3点值接近出现最大支反力的时间比较靠近,说明结构并不对称。图1电子机柜外形结构图般来说,机柜的4个支点是通过4个减震器与底座1电子机柜瞬态动力学仿真联接V中国煤化工中,4个支点的受力情况有关标准规定了车载电子机柜在不同应用环境中对减CNMH(数据为减震器的结构参的冲击试验强度。为了解和改善机柜的抗冲击能力,本数设计、阻尼材料的研制提供了较为详尽的理论依据。文根据相关规定,按以下环境条件对机柜进行瞬态动插箱是电子元器件的直接承载构件,其变形量对收稿日期:2作者简介,何万有效损,男,安徽湖人,损士研究生,究方向,电子机械结构动态设计2006年第1期何小兵,等:车载电子机柜的动力学分析47·元器件的影响最大。图3中的5条曲线为顶盖板和4的应力强度校核可以根据第四强度理论,选择Von个插箱中点受到半正弦冲击信号时的变形图,顶盖板Miss等效应力来判断机柜结构的强度。Ⅴ on miss等的变形量最大,最大值为1.414mm,其次为插箱2。从效应力可以表示为图3中可以看出,由于残余响应的影响,各点响应的(a1-02)2+(a2-03)2+(a3-01)2]。最大值都出现在11ms以后,即激励结束以后。为了更清楚地描述各条曲线的情况,表1列出了各点最大值(2)响应及其出现的时间。式中:σ1、σ2、σ3—三向应力状态下主应力强度条件表示为第1点≤[a]式中材料的许用应力32.0第2点根据式(2)求出4个插箱和顶盖板的等效应力值,其结果列于表1中。从表1中看,插箱的最大等效应24.0第3点力值为37.328MPa,远小于材料的许用应力值,满足强度要求6.0第4点立柱是机柜的主要承载部件,其强度对整个机柜8.0的稳定有很大的作用。从仿真的结果看,当机柜受到冲击载荷时,立柱受到的应力最大。图4为立柱应力最大点的 Von miss等效应力a,变化曲线,等效应力8.010.012最大值为47.2MPa,小于铝的许用应力值(铝的a,为130MPa),符合强度要求图2底座4个支点处支反力随时间的变化顶盖板40.016插箱230.0插箱120.00.8插箱4285684112插箱3图4立柱上应力最大点的等效应力3.26496128由瞬态动力学分析的结果可以得到下面几条结论:①机柜底座4个支点的支反力大小是随时间变化图3机柜顶盖板及各插箱中点的变形图的,最大的支反力既不出现在冲击激励的最大值处,也表1顶盖板和4个插箱中点的最大变形量和最大应力值不岀现在冲击结束处,而是出现在8.8ms时;②机柜数值变形量e力值受到冲击作用时,变形量最大的是顶盖板和插箱2的变形最大值出现时间应力最大值出现时间底板,其值分别为1.414mm和1.0144mm;③顶盖板部件和插箱的最大变形值都出现在冲击激励结束之后,残插箱10.672813,2余响应引起的机柜结构变形不容忽视;④各插箱、顶插箱21.014414.324.69713.75盖板和立柱的最大应力值都小于材料的许用应力值,插箱30.291312,11314,8满足强度要求插箱0.34992电子机柜随机振动谱分析1.414子机柜在工作时了受到冲击激励外,还可根据强度理论,当应力值达到材料的强度极限能受中国煤化工振动常常是不规则的随(或屈服极限)时,材料就会发生断裂破坏(或塑性变机的CNMHG,以便了解机柜在随机形)。因此,有必要在机柜的设计过程中,对其进行应振动作用下的响应情况。力分析。根据强度要求和材料的特性,可以选择单元2.1机柜的随机振动谱分析节点处的最大拉应力、最大剪应力或综合应力作为强同瞬态分析类似,在对机柜进行谱分析时,可以度校核基馮翝蟥霠件材料一般为铝或其它塑性材料,将其简化为从机柜的支点处输入随机振动的力学模材料的失效以材料发生塑性变形为标志,因此对机柜型,所用有限元模型仍为上述模型,并且对底座4个48·机械工程与自动化2006年第1期支点进行零位移全约束。应力最大,其最大应力值为113MPa,而钢的屈服应力机柜在工作时受到的振动主要是车辆受到地面的为235MPa。因此在振动激励下,机柜的强度满足要颠簸造成的,一般为竖直方向。因此,本文根据课题求。要求,选取相关标准的试验条件对机柜进行振动仿真由随机振动分析的结果可以得到以下几条结论:分析,在标准中规定机柜的试验频率范围为5Hz①在随机振动激励下,插箱2和顶盖板的位移响应功200H,谱密度见图5(图5中纵坐标功率谱密度的单率谱密度最大,而立柱、梁以及侧盖板的位移响应都位为每赫兹g2)较小;②在机柜各部件的固有频率附近,由于发生共试验持续时间:每800km为120min振,此时位移响应功率谱值被放大,但各阶模态响应1.000的大小各不相同,插箱2的响应最大;③各插箱由于0500总均方根1.98g振动的作用,产生较大的位移响应,对元器件的正常工作会产生一定的影响,所以必须采取适当的措施,减0.050小插箱的位移响应倒0020娠00050.002学0032插箱2顶盖板5010020.05001000200020024插箱1图5垂直激励功率谱图0016插箱32.2机柜的随机振动结果分析插箱4随机振动分析是一种定性的分析技术,图6中各00侧盖板条曲线代表它们在某一特定值发生的可能性,其数值立柱只具有统计上的意义,并不是真实具体的响应值,但在同样条件下,每一条曲线的值具有相对的比较意义从图6中可以看出,在随机振动激励下,立柱、梁以f/Hz及侧板的位移响应并不显著。而顶盖板以及直接承载图6机柜各部件的位移响应功率谱图元器件的插箱则发生较大的位移响应,其中插箱2底3结论板的响应最大。这将直接影响电信号的稳定性,必须本文根据有关标准的要求,对机柜进行瞬态分析采取措施减小插箱的动力响应。和随机振动谱分析,在虚拟环境下,实现了对冲击和由振动理论可知,模态分析的结果只能看出机柜振动的仿真分析得到了机柜各部位的应力和应变值的各阶固有频率和振型,难以判断各阶模态对整个机并从理论上探讨了机柜结构的薄弱部位。为机柜结构柜的影响情况。从图6中可以看出,位移响应幅值最动态优化设计提供了依据。大的是插箱2和顶盖板,这是由于当外界激励在这两个频率附近时,插箱2或顶盖板发生共振,响应被放参考文献:大所致。在机柜的另外几阶模态,或由于在其固有频叶先磊,史亚杰. ANSYS工程分析软件应用实例[M].率点激励较小,或由于共振时放大倍数较小,响应较北京:清华大学出版社,2003小。通过随机振动分析可以得到机柜中各部件对外界[2]曹树谦,张文德,萧龙翔振动结构模态分析—理论激励的不同响应情况,从而获知机柜的薄弱部位,为实验与应用[M].天津:天津大学出版社,2001机柜的优化设计提供依据。[3]杨景义,王信义.试验模态分析[M].北京:北京理工大学出版社,1990机柜受到随机振动时,机柜的横向钢支架受到的Dynamic Analysis of Electronic Cabinet in VehiclesHE Xiao-bing, ZHANG Chi-binTH中国煤化工Department of Mechanical Engineering, SoutheastCNMHGAbstract: According to the related standards, transient dynamic analysis and random vibration spectrum analysis were carried out toget its dynamic response characteristicsibration and shock environment so as to find out thelectronic cabinet, which provide more convincing evidence for optimization design in cabinet structure.Key words: y芳数据 ynamic analysis: random vibration spectrum analy; electronic cabinet