第1期(總第134期)機(jī)械工程與自動(dòng)化2006年2月MECHANICAL enGineerinG & AUTOMATIONFeb文章編號(hào):1672-6413(2006)01-0046-03車載電子機(jī)柜的動(dòng)力學(xué)分析何小兵,張赤斌,顏肖龍(東南大學(xué)機(jī)械工程系,江蘇南京210096)摘要:根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求,對(duì)電子機(jī)柜進(jìn)行了瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析和隨杋振動(dòng)譜分析,模擬實(shí)際要求的激勵(lì)實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊和振動(dòng)的仿真分析,得到了電子機(jī)柜各部位的應(yīng)力和應(yīng)變值,找岀了電子?xùn)i柜結(jié)構(gòu)的薄弱部位,為其結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)關(guān)鍵詞:瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析;隨機(jī)振動(dòng)譜分析;電子機(jī)柜中圖分類號(hào):TM59文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A0引言力學(xué)仿真。沖擊脈沖波形:半正弦;脈沖加速度:30g;電子機(jī)柜是高集成度電子設(shè)備的支撐基礎(chǔ),其外持續(xù)時(shí)間:0.011s。具體的數(shù)學(xué)描述為形結(jié)構(gòu)見圖1,它主要由立柱、橫梁、外側(cè)板、插箱和Asina,0≤t≤0.011?！?1)蓋板等組成。現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用對(duì)電子設(shè)備的要求越來越式中:x—位移,mm高,電子設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)除了滿足產(chǎn)品的電性能指標(biāo)外,A—振幅,A=30g=294mm/s2;還應(yīng)研究和解決設(shè)備在動(dòng)態(tài)環(huán)境下的工作可靠性以及角頻率,=285.45抵御惡劣環(huán)境的能力。本文從工程應(yīng)用出發(fā),利用軟t—時(shí)間,s。件工具對(duì)機(jī)柜結(jié)構(gòu)進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真和隨機(jī)振動(dòng)譜1·1建立用于機(jī)柜瞬態(tài)分析的模型分析,研究機(jī)柜的動(dòng)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng),以便在結(jié)構(gòu)文中分析的機(jī)柜采用了鋁型材框架結(jié)構(gòu),由于鋁的方案論證時(shí)就可預(yù)估機(jī)柜的薄弱環(huán)節(jié),為機(jī)柜結(jié)構(gòu)型材較差的焊接性能,機(jī)柜全部采用了螺栓緊固件聯(lián)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。接方式。為了增加立柱與上、下橫梁的聯(lián)接緊固性,設(shè)計(jì)了三面聯(lián)接的聯(lián)接塊。利用有限元分析軟件 ANSYS對(duì)機(jī)柜進(jìn)行仿真。頂蓋板有限元模型采用以梁?jiǎn)卧獮橹鞯慕７绞?對(duì)立柱與支架外側(cè)板梁的螺栓聯(lián)接處采用節(jié)點(diǎn)融合的方式進(jìn)行處理。在求插箱解時(shí)給機(jī)柜底座的各支點(diǎn)施加零位移全約束立柱1.2機(jī)柜瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)結(jié)果分析圖2列出了機(jī)柜底座4個(gè)支點(diǎn)的支反力F隨時(shí)橫梁下蓋板間變化的曲線圖。從圖2可以知道4個(gè)支點(diǎn)中第4點(diǎn)的支反力較大,第2點(diǎn)較小,第1點(diǎn)與第3點(diǎn)值接近出現(xiàn)最大支反力的時(shí)間比較靠近,說明結(jié)構(gòu)并不對(duì)稱。圖1電子機(jī)柜外形結(jié)構(gòu)圖般來說,機(jī)柜的4個(gè)支點(diǎn)是通過4個(gè)減震器與底座1電子機(jī)柜瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真聯(lián)接V中國(guó)煤化工中,4個(gè)支點(diǎn)的受力情況有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了車載電子機(jī)柜在不同應(yīng)用環(huán)境中對(duì)減CNMH(數(shù)據(jù)為減震器的結(jié)構(gòu)參的沖擊試驗(yàn)強(qiáng)度。為了解和改善機(jī)柜的抗沖擊能力,本數(shù)設(shè)計(jì)、阻尼材料的研制提供了較為詳盡的理論依據(jù)。文根據(jù)相關(guān)規(guī)定,按以下環(huán)境條件對(duì)機(jī)柜進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)插箱是電子元器件的直接承載構(gòu)件,其變形量對(duì)收稿日期:2作者簡(jiǎn)介,何萬有效損,男,安徽湖人,損士研究生,究方向,電子機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)2006年第1期何小兵,等:車載電子機(jī)柜的動(dòng)力學(xué)分析47·元器件的影響最大。圖3中的5條曲線為頂蓋板和4的應(yīng)力強(qiáng)度校核可以根據(jù)第四強(qiáng)度理論,選擇Von個(gè)插箱中點(diǎn)受到半正弦沖擊信號(hào)時(shí)的變形圖,頂蓋板Miss等效應(yīng)力來判斷機(jī)柜結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。Ⅴ on miss等的變形量最大,最大值為1.414mm,其次為插箱2。從效應(yīng)力可以表示為圖3中可以看出,由于殘余響應(yīng)的影響,各點(diǎn)響應(yīng)的(a1-02)2+(a2-03)2+(a3-01)2]。最大值都出現(xiàn)在11ms以后,即激勵(lì)結(jié)束以后。為了更清楚地描述各條曲線的情況,表1列出了各點(diǎn)最大值(2)響應(yīng)及其出現(xiàn)的時(shí)間。式中:σ1、σ2、σ3—三向應(yīng)力狀態(tài)下主應(yīng)力強(qiáng)度條件表示為第1點(diǎn)≤[a]式中材料的許用應(yīng)力32.0第2點(diǎn)根據(jù)式(2)求出4個(gè)插箱和頂蓋板的等效應(yīng)力值,其結(jié)果列于表1中。從表1中看,插箱的最大等效應(yīng)24.0第3點(diǎn)力值為37.328MPa,遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力值,滿足強(qiáng)度要求6.0第4點(diǎn)立柱是機(jī)柜的主要承載部件,其強(qiáng)度對(duì)整個(gè)機(jī)柜8.0的穩(wěn)定有很大的作用。從仿真的結(jié)果看,當(dāng)機(jī)柜受到?jīng)_擊載荷時(shí),立柱受到的應(yīng)力最大。圖4為立柱應(yīng)力最大點(diǎn)的 Von miss等效應(yīng)力a,變化曲線,等效應(yīng)力8.010.012最大值為47.2MPa,小于鋁的許用應(yīng)力值(鋁的a,為130MPa),符合強(qiáng)度要求圖2底座4個(gè)支點(diǎn)處支反力隨時(shí)間的變化頂蓋板40.016插箱230.0插箱120.00.8插箱4285684112插箱3圖4立柱上應(yīng)力最大點(diǎn)的等效應(yīng)力3.26496128由瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的結(jié)果可以得到下面幾條結(jié)論:①機(jī)柜底座4個(gè)支點(diǎn)的支反力大小是隨時(shí)間變化圖3機(jī)柜頂蓋板及各插箱中點(diǎn)的變形圖的,最大的支反力既不出現(xiàn)在沖擊激勵(lì)的最大值處,也表1頂蓋板和4個(gè)插箱中點(diǎn)的最大變形量和最大應(yīng)力值不岀現(xiàn)在沖擊結(jié)束處,而是出現(xiàn)在8.8ms時(shí);②機(jī)柜數(shù)值變形量e力值受到?jīng)_擊作用時(shí),變形量最大的是頂蓋板和插箱2的變形最大值出現(xiàn)時(shí)間應(yīng)力最大值出現(xiàn)時(shí)間底板,其值分別為1.414mm和1.0144mm;③頂蓋板部件和插箱的最大變形值都出現(xiàn)在沖擊激勵(lì)結(jié)束之后,殘插箱10.672813,2余響應(yīng)引起的機(jī)柜結(jié)構(gòu)變形不容忽視;④各插箱、頂插箱21.014414.324.69713.75蓋板和立柱的最大應(yīng)力值都小于材料的許用應(yīng)力值,插箱30.291312,11314,8滿足強(qiáng)度要求插箱0.34992電子機(jī)柜隨機(jī)振動(dòng)譜分析1.414子機(jī)柜在工作時(shí)了受到?jīng)_擊激勵(lì)外,還可根據(jù)強(qiáng)度理論,當(dāng)應(yīng)力值達(dá)到材料的強(qiáng)度極限能受中國(guó)煤化工振動(dòng)常常是不規(guī)則的隨(或屈服極限)時(shí),材料就會(huì)發(fā)生斷裂破壞(或塑性變機(jī)的CNMHG,以便了解機(jī)柜在隨機(jī)形)。因此,有必要在機(jī)柜的設(shè)計(jì)過程中,對(duì)其進(jìn)行應(yīng)振動(dòng)作用下的響應(yīng)情況。力分析。根據(jù)強(qiáng)度要求和材料的特性,可以選擇單元2.1機(jī)柜的隨機(jī)振動(dòng)譜分析節(jié)點(diǎn)處的最大拉應(yīng)力、最大剪應(yīng)力或綜合應(yīng)力作為強(qiáng)同瞬態(tài)分析類似,在對(duì)機(jī)柜進(jìn)行譜分析時(shí),可以度校核基馮翝蟥霠件材料一般為鋁或其它塑性材料,將其簡(jiǎn)化為從機(jī)柜的支點(diǎn)處輸入隨機(jī)振動(dòng)的力學(xué)模材料的失效以材料發(fā)生塑性變形為標(biāo)志,因此對(duì)機(jī)柜型,所用有限元模型仍為上述模型,并且對(duì)底座4個(gè)48·機(jī)械工程與自動(dòng)化2006年第1期支點(diǎn)進(jìn)行零位移全約束。應(yīng)力最大,其最大應(yīng)力值為113MPa,而鋼的屈服應(yīng)力機(jī)柜在工作時(shí)受到的振動(dòng)主要是車輛受到地面的為235MPa。因此在振動(dòng)激勵(lì)下,機(jī)柜的強(qiáng)度滿足要顛簸造成的,一般為豎直方向。因此,本文根據(jù)課題求。要求,選取相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)條件對(duì)機(jī)柜進(jìn)行振動(dòng)仿真由隨機(jī)振動(dòng)分析的結(jié)果可以得到以下幾條結(jié)論:分析,在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定機(jī)柜的試驗(yàn)頻率范圍為5Hz①在隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)下,插箱2和頂蓋板的位移響應(yīng)功200H,譜密度見圖5(圖5中縱坐標(biāo)功率譜密度的單率譜密度最大,而立柱、梁以及側(cè)蓋板的位移響應(yīng)都位為每赫茲g2)較小;②在機(jī)柜各部件的固有頻率附近,由于發(fā)生共試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間:每800km為120min振,此時(shí)位移響應(yīng)功率譜值被放大,但各階模態(tài)響應(yīng)1.000的大小各不相同,插箱2的響應(yīng)最大;③各插箱由于0500總均方根1.98g振動(dòng)的作用,產(chǎn)生較大的位移響應(yīng),對(duì)元器件的正常工作會(huì)產(chǎn)生一定的影響,所以必須采取適當(dāng)?shù)拇胧?減0.050小插箱的位移響應(yīng)倒0020娠00050.002學(xué)0032插箱2頂蓋板5010020.05001000200020024插箱1圖5垂直激勵(lì)功率譜圖0016插箱32.2機(jī)柜的隨機(jī)振動(dòng)結(jié)果分析插箱4隨機(jī)振動(dòng)分析是一種定性的分析技術(shù),圖6中各00側(cè)蓋板條曲線代表它們?cè)谀骋惶囟ㄖ蛋l(fā)生的可能性,其數(shù)值立柱只具有統(tǒng)計(jì)上的意義,并不是真實(shí)具體的響應(yīng)值,但在同樣條件下,每一條曲線的值具有相對(duì)的比較意義從圖6中可以看出,在隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)下,立柱、梁以f/Hz及側(cè)板的位移響應(yīng)并不顯著。而頂蓋板以及直接承載圖6機(jī)柜各部件的位移響應(yīng)功率譜圖元器件的插箱則發(fā)生較大的位移響應(yīng),其中插箱2底3結(jié)論板的響應(yīng)最大。這將直接影響電信號(hào)的穩(wěn)定性,必須本文根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求,對(duì)機(jī)柜進(jìn)行瞬態(tài)分析采取措施減小插箱的動(dòng)力響應(yīng)。和隨機(jī)振動(dòng)譜分析,在虛擬環(huán)境下,實(shí)現(xiàn)了對(duì)沖擊和由振動(dòng)理論可知,模態(tài)分析的結(jié)果只能看出機(jī)柜振動(dòng)的仿真分析得到了機(jī)柜各部位的應(yīng)力和應(yīng)變值的各階固有頻率和振型,難以判斷各階模態(tài)對(duì)整個(gè)機(jī)并從理論上探討了機(jī)柜結(jié)構(gòu)的薄弱部位。為機(jī)柜結(jié)構(gòu)柜的影響情況。從圖6中可以看出,位移響應(yīng)幅值最動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。大的是插箱2和頂蓋板,這是由于當(dāng)外界激勵(lì)在這兩個(gè)頻率附近時(shí),插箱2或頂蓋板發(fā)生共振,響應(yīng)被放參考文獻(xiàn):大所致。在機(jī)柜的另外幾階模態(tài),或由于在其固有頻葉先磊,史亞杰. ANSYS工程分析軟件應(yīng)用實(shí)例[M].率點(diǎn)激勵(lì)較小,或由于共振時(shí)放大倍數(shù)較小,響應(yīng)較北京:清華大學(xué)出版社,2003小。通過隨機(jī)振動(dòng)分析可以得到機(jī)柜中各部件對(duì)外界[2]曹樹謙,張文德,蕭龍翔振動(dòng)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析—理論激勵(lì)的不同響應(yīng)情況,從而獲知機(jī)柜的薄弱部位,為實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用[M].天津:天津大學(xué)出版社,2001機(jī)柜的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。[3]楊景義,王信義.試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1990機(jī)柜受到隨機(jī)振動(dòng)時(shí),機(jī)柜的橫向鋼支架受到的Dynamic Analysis of Electronic Cabinet in VehiclesHE Xiao-bing, ZHANG Chi-binTH中國(guó)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芳數(shù)據(jù) ynamic analysis: random vibration spectrum analy; electronic cabinet