一种轻量化高强度仪控设备机械结构的设计与仿真

张洧川 陈杰 何小鹏 黄轲 刘依依 孙琦 唐涛 王菲

【摘 要】本文设计了一款用于搭载仪控设备的机柜。通过在材料选取，框架结构，联接设计等方面着手，使得机柜在满足低成本，轻量化的前提下实现了较高的结构强度。机柜强度还通过有限元仿真软件进行了仿真验证，验证其性能满足标准要求。

【关键词】轻量化;抗冲击;抗振动;有限元仿真

中图分类号： TL36 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）11-0021-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.009

【Abstract】In this paper，a cabinet equipped with instrument and control equipment is designed.Through the selection of materials，frame structure，connection design and so on，high strucutre strength can be realized under the premise of low cost and light weight.The cabinet stength is also verified by the finite element simulation softwire to verify that its performance meets the standard reqiurements.

【Key words】Lightweight;Anti-vibration;Mid-strike;Finite element simulation

0 引言

以舰船电子设备为代表的仪控设备在使用过程中，可能会遭受到撞击，海浪等引起的高强度冲击（以下简称冲击），在冲击作用下，作为设备承载体的机械结构可能会发生变形或脱落，引起短路、接触不良、打火等故障。同时，仪控设备所工作的环境中，可能存在固定频率的振动，这些振动可能会造成机械结构疲劳老化，共振，部分位置应力超标等，引起结构损伤。

同时，低成本，小体积，轻量化也是现代军用仪控设备的必然要求，为此，机柜结构设计中使用了钣金加工、标准化细分组件组装等方法。为了保证新设计下机柜强度仍能满足使用要求，需对机柜进行详细设计和仿真验证。

本文以应用于仪控设备中的承载机柜为对象，以满足实际使用情况的相关要求作为输入，从材料选取，框架结构设计等方面着手对机柜强度进行强化，最后通过有限元仿真法对结构的抗冲击性能和抗振动性能进行了验证，验证结构强度满足要求。

1 机柜整体概况

1.1 材料选择

材料的选取主要考虑其对于抗冲击能力的影响，对于有抗冲击要求的结构件，应该选择屈服强度较高、延伸率较大和断裂韧性较好的材料，不应选择脆性或是对加工缺陷较为敏感的材料。本次设计中，机柜材料选择为Q235B钢板，其为低碳钢，韧性较好，屈服强度也能满足应用要求。

1.2 機械结构概况

如图1所示为承载设备的立式机柜CAD模型图，机柜主要由底框架、顶框架、左侧板、右侧板、顶盖、安装立柱、前门、后门等主要构件组成;机柜中纵向布置五个机箱，机箱中插装插件模块盒，布置情况如图2所示;机柜、机箱外形和重量具体参数见表1。

2 机柜强度设计

机柜强度设计主要从主体框架结构设计，联接件设计，减振器设计三方面着手。

2.1 主体框架设计

考虑到机柜的使用环境中对强度的要求较高，机柜柜体采用整体焊接形式，从结构形式上拆分为底框，左右侧板、顶框、立柱、加强筋等。

机柜底框采用4mm钢板折弯而成，侧板采用2mm钢板整体折弯而成，且在角落处进行了加强，如图3所示。

机柜柜体和柜门接触位置由于需要进行开合动作，因此柜体与柜门接触位置进行了导电处理，相应位置安装了导电屏蔽条。

底框下部采用可拆卸挡板，以方便减振器安装，如图4所示。

机柜框架均采用焊接形式，主框架用二氧化碳保护焊接，细小边缘用氩弧焊，焊缝保持均匀一致，角焊缝长度≥3mm;内部长焊缝采用断续焊方式，焊接长度大于20mm，并保持均匀一致。

2.2 前门铰链设计

前门采用铰链连接，门尺寸为：598mm×1330mm，密度为：7800kg/m3，可计算出前门重量为20kg。设铰链数量n为3，门宽为A，门高为B，门重为G，铰链安装距离为L，如图5所示。

可得：

轴向力Fy=G*（1/n）=65.3N;

径向力方面，Fx1=Fx3=G*A/2L=44.2N，Fx2=0。

同时，结合安装结构形式，选择CL186合页，径向载荷660N，轴向载荷880N，远超所承受静载荷，满足强度要求。

2.3 后门螺钉强度校核

后门为了装卸方便，采取螺钉固定的方式，由于重力作用，螺栓主要承受竖直方向的剪切力。假设螺栓杆与孔壁表面接触面压力分布均匀，可得螺栓所受的工作剪切应力如下式所示：

式中：

？子——螺栓所受剪切应力;

F——螺栓所受工作剪切力，预估算时仅考虑静载荷重力;

d0——螺栓剪切面直径，mm;

代入数据可得，螺栓所受工作应力为5.4Mpa。选择M8螺钉，许用应力为137Mpa，且采用多螺栓同时固定，螺栓强度将满足要求。

2.4 隔振器设计

为了不致使柜体内部发生相对位移，需保证机柜柜体的最低固有频率在30Hz～35Hz以上[1]，为了使外界激励力不致引起柜体共振同时减少外界冲击对机柜影响，隔振器设计时满足以下几点要求：

1）隔振器较为柔软，使得隔振器与设备所组成系统的固有频率应不高于15Hz;

2）隔振器有低频大变形和随载荷增加而逐渐变硬的非线性特性、足够的侧向刚度和抗拉能力;

3）隔振器有较大的阻尼，放大因子Q≤3，较大的阻尼可以减少设备在受冲击后的响应[2]，并使设备振荡迅速停止。

本次设计中的隔振器使用钢丝绳隔振器，其型号为GSG150，固有频率是7-10Hz，放大倍率<=2.5，具有坚硬的非线性特性及足够侧向刚度和抗拉能力。

3 机柜力学性能仿真

使用ANSYS 18来对设备力学特性进行仿真，仿真其抗冲击，抗振动性能。该力学分析软件基于有限元分析法进行分析[3]，该仿真分析方法可以得到较为准确的分析结果。

为在有限元分析中尽量考虑机柜的结构力学特性，同时简化计算，提高计算速度，引入如下的假设和处理方法：

1）机柜框架参考实际结构建模，省略局部特征（如装饰性圆角）;

2）机柜、机箱里的PCB板、电缆、连接器等全部在机箱框架的等效质点位置处配重，机柜前后门采用同样的方法进行配重;

3）机柜中各种紧固件固定的零件接触面均设为绑定约束。

简化处理后的仿真模型如图6所示。

图6 简化处理后的仿真模型

3.1 模态分析

在固体与载体连接的螺钉处施加全位移约束，通过模态分析得到分析对象在30Hz内的模态结果，得前六阶的模态频率，记录在表2中。

模态分析结果显示：分析对象的基频约为8Hz，振型表现为沿Y向摇摆。

3.2 周期振动分析

这里在（0-60）Hz的频率范围内进行扫频计算，位移和加速度的计算幅值根据包络原则来计算得出[4]。振动载荷全频段取为1g，进行谐响应分析，这样的振动量级较实际中的振动载荷稍强，因此得到的强度评估结果是偏安全的。

周期振动分析时，采用谐响应分析方法来模拟扫频振动载荷的作用，在分析对象与机架连接的安装螺钉处施加全位移约束。并将1g的正弦振动载荷分别沿X、Y、Z三个方向施加到设备上。谐响应分析时，常数阻尼比取0.12，计算得到了设备在三个方向上的整个振动频段内的等效应力最大值，具体如图7、图8、图9所示，各方向应力极大值记录于表3中。

谐响应分析结果显示：X向受到振动载荷激励时，等效应力最大，约为24.9MPa，该值显著小于所用材料的疲劳极限。

3.3 冲击谱分析

為了分析设备对外界冲击的耐受能力，需采用DDAM法进行冲击谱分析以验证机械结构抗冲击性能。

按照相关标准要求，设备的冲击谱加速度和速度如下式所示：

式中：

A0——冲击谱加速度;

V0——冲击谱速度;

ma——模态质量。

设备按照弹塑性设计要求，在设备垂向、横向和纵向分别使用1.0A0，0.4A0和0.4A0的加速度进行计算。

计算获得了机柜的前10阶模态，满足模态叠加质量大于总质量80%的要求，取A0和V0w0中的较小值作为给定方向上的冲击设计加速度，获得加速度谱如表4所示。

按照表4中的加速度进行三个方向的冲击谱计算，对于取二阶模态以上的计算，组合方式选为NRL。

由相关标准中的限值计算法可得，机柜柜体所能承受的限值为：332.5Mpa，对比冲击谱分析所得各方向最大应力值情况可得整体情况如表5所示。

冲击谱分析结果显示：Z向受到冲击载荷激励时，等效应力最大，约为243MPa，该值显著小于限值（332.5MPa）。

4 结论

本文设计了一款基于钣金加工和细分组件组装等方法设计的轻量化高强度机柜，为了验证其抗振动，抗冲击性能，基于其应用环境下所应满足的要求，对其进行了模态分析，周期振动分析，以及冲击谱分析。证明其具备良好的抗振动、抗冲击性能，应力值小于结构耐受强度，可以满足应用要求。

【参考文献】

[1]程林风，王骁.基于APDL参数化设计的舰船控制柜模态分析[J].现代机械，2015（02）：37-42.

[2]唱忠良，刘松，邹广平，焦凯，张冰.金属丝网橡胶减振器冲击响应有限元仿真研究[J].哈尔滨工程大学学报，2018，39（09）：1505-1510.

[3]张龙飞，陶忠，潘文，张战书，兰香，曾传旺.导轨式抗拉橡胶支座力学性能研究[J].振动与冲击，2018，37（22）：122-127+150.

[4]宋天罡.某型TBM刀盘结构设计及有限元分析[D].西南交通大学，2017.作者简介：张洧川（1992—），男，四川成都人，硕士，助理工程师，从事反应堆仪表与控制系统总体设计。