加固服務(wù)器兼容性和可靠性研究

符旭才，符運(yùn)杰

（1.研祥智能科技股份有限公司研發(fā)中心，廣東深圳 518107；2.國家特種計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心，廣東深圳 518107）

0 引言

目前航天、航空、航海、野戰(zhàn)等軍事領(lǐng)域中的各種應(yīng)用系統(tǒng)中大量使用了各種各樣的計(jì)算機(jī)，由于這些軍用系統(tǒng)基本上都工作在惡劣的、復(fù)雜的機(jī)械干擾和電磁干擾環(huán)境中[1]，需要面對高溫、低溫、潮濕、霉菌、沙塵、強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣狀況。當(dāng)結(jié)構(gòu)本身不能有效地克服因機(jī)械力引起的材料疲勞、結(jié)構(gòu)諧振等對電氣性能的影響時(shí)，其可靠性將無從保證[2]。要能夠適應(yīng)交叉、多變、立體、機(jī)動(dòng)、連續(xù)的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭，就必須選擇、應(yīng)用和發(fā)展高性能特殊研制的抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)，即通常簡稱的“加固機(jī)”[3]。本文主要選取加固服務(wù)器，對其加固方式進(jìn)行介紹。

機(jī)箱式加固服務(wù)器要求具有良好的抗震，抗沖擊性能，保證適應(yīng)于車載、機(jī)載、艦載等武器裝備上，這就要求服務(wù)器在設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮具備較好的可靠性。目前市場上的2U加固服務(wù)器呈現(xiàn)快速增長的需求態(tài)勢，同時(shí)客戶對產(chǎn)品提出了各種不同的需求，對于機(jī)器后部的I/O接口有航插接口和標(biāo)準(zhǔn)接口形式兩種需求，對于電源有直流電源和交流電源兩種需求，對于機(jī)器的安裝方式有19′′機(jī)柜安裝和上架安裝兼容需求，對于機(jī)器內(nèi)部的USB KEY有加固兼容需求?；谝陨闲枨?，通過在已有設(shè)備的基礎(chǔ)上，針對原有的缺陷或新的工作要求，從工作原理、機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)、參數(shù)、尺寸等方面進(jìn)行一定的改進(jìn)設(shè)計(jì)，以提高設(shè)備質(zhì)量、可靠性等，使設(shè)備滿足新的工作要求[4]，這種改型設(shè)計(jì)符合結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。因此在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)一款兼容性較高的機(jī)箱，能滿足以上各種需求，降低設(shè)計(jì)時(shí)間，快速響應(yīng)客戶的需求，大大縮短產(chǎn)品的交付周期，具有十分重要的意義。本文從高兼容性和高可靠性兩方面介紹一種結(jié)構(gòu)兼容性較高的2U加固服務(wù)器。

1 高兼容性

本文介紹的2U加固服務(wù)器在設(shè)計(jì)時(shí)主要是考慮設(shè)計(jì)通用性的機(jī)箱，使機(jī)器安裝兼容19′′機(jī)柜安裝和上架安裝要求，機(jī)箱安裝的I/O接口兼容標(biāo)準(zhǔn)接口和航插接口，安裝的電源兼容直流電源和交流電源等，同時(shí)設(shè)計(jì)的機(jī)箱的外形尺寸較小，滿足大部分應(yīng)用場合的要求，是一款兼容性很高的機(jī)箱。

如圖1所示，前面板設(shè)計(jì)19′′標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜的安裝孔；上架時(shí)如圖2所示，利用機(jī)箱側(cè)面的安裝孔安裝導(dǎo)軌。

圖1 19′′標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜的安裝孔

圖2 機(jī)箱側(cè)面導(dǎo)軌安裝孔

當(dāng)客戶要求后I/O接口采用航插接口形式時(shí)，對于機(jī)箱內(nèi)部，如圖3所示，將主板加強(qiáng)板前置安裝，利用機(jī)箱上的9個(gè)壓鉚螺釘?shù)奈恢茫肕3螺母鎖緊主板加強(qiáng)板，然后將主板安裝在主板加強(qiáng)板上，如圖4所示。對于機(jī)箱外部，如圖5所示，先將航空插頭裝到航插接口I/O支架上，再將航插接口I/O支架安裝到機(jī)箱內(nèi)壁，用6顆螺釘固定，通過設(shè)計(jì)不同的I/O支架即可滿足不同客戶對各類航插的需求。

圖3 主板加強(qiáng)板前置安裝

圖4 主板前置安裝

圖5 航插接口I/O支架安裝

當(dāng)客戶要求后I/O接口采用標(biāo)準(zhǔn)接口形式時(shí)，對于機(jī)箱內(nèi)部，如圖6所示，將主板加強(qiáng)板后置安裝，利用機(jī)箱上的9個(gè)壓鉚螺釘?shù)奈恢?，用M3螺母鎖緊主板加強(qiáng)板，然后將主板安裝在主板加強(qiáng)板上，如圖7所示。對于機(jī)箱外部，如圖8所示，將標(biāo)準(zhǔn)接口I/O支架安裝到機(jī)箱內(nèi)壁，用6顆螺釘固定。

圖6 主板加強(qiáng)板后置安裝

圖7 主板后置安裝

圖8 標(biāo)準(zhǔn)接口I/O支架安裝

當(dāng)客戶要求使用直流電源時(shí)，使用直流電源安裝支架，即可將直流電源固定在機(jī)箱內(nèi)，如圖9所示。

圖9 直流電源安裝

當(dāng)客戶要求使用交流電源時(shí)，使用交流電源固定支架，即可將交流電源固定在機(jī)箱內(nèi)。同時(shí)，交流電源接口的連接器需用固定支架進(jìn)行加固，提高連接器連接的可靠性。如圖10所示。

圖10 交流電源安裝

2 U加固服務(wù)器的外形尺寸：機(jī)箱規(guī)格為2 U；機(jī)箱尺寸為寬425 mm×深510 mm×厚88.1 mm（不含把手和前面板）；面板尺寸為寬482.6 mm×高88.1 mm×厚8 mm。如圖11所示。

圖11 外形尺寸圖

2 高可靠性

在軍用電子設(shè)備所處的工作環(huán)境中，各種機(jī)械力和干擾形式都有可能對設(shè)備造成危害，其中危害最大的是振動(dòng)和沖擊。防振動(dòng)、抗沖擊設(shè)計(jì)主要采用加固設(shè)計(jì)。所謂“加固設(shè)計(jì)”，是指確定并加固電子設(shè)備結(jié)構(gòu)上的薄弱環(huán)節(jié)，提高設(shè)備固有頻率，使其容許沖擊應(yīng)力和疲勞極限高于其實(shí)際響應(yīng)值[5]。2 U加固服務(wù)器作為軍用電子設(shè)備，其振動(dòng)需滿足5～17 Hz/1 mm振幅，17～200 Hz/1g峰-峰加速度，隨機(jī)振動(dòng)滿足車載的振動(dòng)需求，除了機(jī)箱采用整體焊接工藝，增加機(jī)箱的剛度，還需要對機(jī)箱內(nèi)的重要部件的抗震能力提出了較高的要求，為此從結(jié)構(gòu)上對主板、CPU、內(nèi)存條、PCI-E卡、內(nèi)置I/O接口、USB KEY等進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。根據(jù)每個(gè)部件在強(qiáng)度和剛度方面的要求，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化、集中應(yīng)力、改進(jìn)受力等工序增大強(qiáng)度[6]，從而保證服務(wù)器比較高的可靠性。

主板的加固主要是考慮主板安裝在機(jī)箱內(nèi)，經(jīng)受振動(dòng)時(shí)，由于主板的外形尺寸較大，對應(yīng)機(jī)箱內(nèi)的安裝區(qū)域變形時(shí)，會(huì)導(dǎo)致主板的變形。通過在機(jī)箱內(nèi)增加主板加強(qiáng)板，可以提高主板在機(jī)箱內(nèi)的安裝區(qū)域的強(qiáng)度，如圖12所示，在主板下方增加了主板加強(qiáng)板。

圖12 主板加強(qiáng)板和CPU加固塊的結(jié)構(gòu)形式

CPU的加固主要是考慮主板的CPU的功率較大，為保證良好的散熱效果，CPU上選用的散熱器為自帶風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)形式，如圖13所示。該散熱器較重，對應(yīng)在主板的安裝區(qū)域內(nèi)的壓力較大，由于該區(qū)域?qū)?yīng)的主板背面為中空狀態(tài)，因此通過在背面增加CPU加固塊，提高了該區(qū)域的抗震能力。如圖12所示，在CPU對應(yīng)的主板背面增加CPU加固塊。CPU加固塊是通過螺釘和機(jī)箱底部連接的，但會(huì)隨著主板的安裝位置移動(dòng)而變更位置，如前述圖3和圖6所示，從主板加強(qiáng)板前置安裝到主板加強(qiáng)板后置安裝移動(dòng)的距離，這個(gè)距離設(shè)計(jì)成剛好是CPU加固塊左右方向的安裝孔的距離，這就使得機(jī)箱的底部只有4個(gè)孔是不安裝任何零件的，同時(shí)這4個(gè)孔被主板加強(qiáng)板遮蔽了，使得整個(gè)機(jī)箱底部外露的孔極為簡潔。以上設(shè)計(jì)不但進(jìn)行了防振動(dòng)設(shè)計(jì)，還考慮了防振動(dòng)的可靠性[7]。

圖13 自帶風(fēng)扇型散熱器

內(nèi)存條的加固主要是考慮內(nèi)存條固定在主板的內(nèi)存槽上，用內(nèi)存槽自帶的固定夾卡緊內(nèi)存條時(shí)，無法承受較高的振動(dòng)等級，導(dǎo)致內(nèi)存條失效。通過在內(nèi)存條上增加內(nèi)存加固支架，并通過泡棉壓緊內(nèi)存條，大大提高內(nèi)存條的抗震能力。此處的設(shè)計(jì)是在進(jìn)行模態(tài)分析和靜力分析的基礎(chǔ)上，選用合適的隔離器和設(shè)計(jì)合理的布置方式[8]，對內(nèi)存條進(jìn)行加固，滿足抗振動(dòng)沖擊設(shè)計(jì)。如圖14所示。

圖14 內(nèi)存條的加固

PCI-E卡的加固主要是考慮PCI-E卡較長，將PCI-E卡的鍵仔固定在機(jī)箱內(nèi)，單一支點(diǎn)的固定方式，無法保證PCI-E卡能通過較高的振動(dòng)等級。通過在PCI-E卡上增加擴(kuò)展卡加固支架，并通過泡棉壓緊內(nèi)存條，大大提高PCI-E卡的抗震能力。如圖15所示。

圖15 PCI-E卡的加固

內(nèi)置I/O接口的加固主要是考慮當(dāng)后I/O接口采用航插接口形式時(shí)，機(jī)箱內(nèi)主板上的I/O接口處的連接器沒有進(jìn)行加固，無法承受較高的振動(dòng)等級，連接器很容易脫落。通過在機(jī)箱內(nèi)主板上的各種I/O接口處的連接器周圍增加內(nèi)置I/O接口加固支架，并通過泡棉壓緊，增強(qiáng)了I/O接口處的連接器的抗震能力。如圖16所示。

圖16 內(nèi)置I/O接口處的連接器的加固

USB KEY的加固主要是考慮主板上的USB連接器處插入U(xiǎn)SB KEY時(shí)，在較高的振動(dòng)等級下，USB KEY存在失效的風(fēng)險(xiǎn)。通過在USB KEY上增加USB KEY加固支架，增強(qiáng)了USB KEY的抗震能力。并且不管主板前置安裝，還是后置安裝，USB KEY均有加固的位置。如圖17所示。

圖17 USB KEY的加固

3 結(jié)束語

本文通過在結(jié)構(gòu)方面，從高兼容性和高可靠性兩方面詳述一種結(jié)構(gòu)兼容性較高的2U加固服務(wù)器，并通過實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，這樣一款服務(wù)器集成了多種加固方式和多種兼容性的設(shè)計(jì)，以客戶的需求為導(dǎo)向，極大地節(jié)約了設(shè)計(jì)成本，縮短了產(chǎn)品的交付周期，提高了產(chǎn)品的市場競爭力，同時(shí)為加固類產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。