基于有限元分析的機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改進(jìn)

魏自銀

（中電科思儀科技（安徽）有限公司，安徽 蚌埠 233000）

1 引言

當(dāng)今機(jī)箱設(shè)備在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中的范圍很廣，且大多數(shù)采取鈑金作為主體結(jié)構(gòu)。使用鈑金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮以下幾點(diǎn)：一是加工成型性好，靈活度高；二是可作為設(shè)備的承重件，具備一定的剛度，可承受一定的作用力（包括在運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)移過程中所受的力）；三是其具有合理的成本及較短的加工周期，因此得到設(shè)計(jì)人員的青睞。鈑金結(jié)構(gòu)在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，需要結(jié)合材料學(xué)、力學(xué)、機(jī)械工程學(xué)、工業(yè)設(shè)計(jì)等多學(xué)科進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，方能滿足功能性要求。本文根據(jù)某機(jī)箱搭載模塊及聯(lián)調(diào)要求，設(shè)計(jì)一種鈑金機(jī)箱結(jié)構(gòu)，并通過有限元分析方法，指導(dǎo)后續(xù)設(shè)計(jì)。

2 機(jī)箱整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)儀器的功能及使用要求，機(jī)箱整體結(jié)構(gòu)由機(jī)頭組件、底板、承載組件、支撐板，左右連接板，圍板A、圍板B組件及底腳等構(gòu)成；其中機(jī)頭因造型需求設(shè)計(jì)為壓鑄鋁成型，機(jī)頭組件重量約3kg，其余結(jié)構(gòu)件均為鈑金成型；8組測(cè)試模塊均為相同且獨(dú)立的1U標(biāo)準(zhǔn)高度箱體，重量約9.8 kg。整體結(jié)構(gòu)見圖1，承載組件由7組折彎件與1組平板（帶翻邊折彎）連接制成，承載組件裝入后，折彎件左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)形式便于測(cè)試模塊的裝入；底板與圍板A、B為U型折彎件，支撐板為四周翻邊帶法蘭型鈑金件，中間開槽便于8組測(cè)試模塊接線。裝配時(shí)需要先將承載組件固定至底板上，前端再通過支撐板將兩者連接成主體。

承載結(jié)構(gòu)主要包含底板、支撐板、承載組件及圍板A、圍板B；鈑金機(jī)箱常用的兩種材料為鋁合金板與Q235鋼板，其材料屬性分別如表1所示。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與組成示意

表1 兩種材料特性列表

2.2 機(jī)箱承載結(jié)構(gòu)的受力分析

為降低整機(jī)重量，且保證該承載結(jié)構(gòu)能夠擁有較高的強(qiáng)度和剛度，需要對(duì)承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，并確定支撐板、底板及承載組件的材質(zhì)。測(cè)試儀使用過程中處于靜止?fàn)顟B(tài)，本文僅進(jìn)行靜力學(xué)分析。靜力學(xué)主要用于分析固定載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，不考慮系統(tǒng)的慣性及阻尼，其中線性靜力學(xué)是靜力學(xué)中最基礎(chǔ)的一類學(xué)科。

根據(jù)線性靜力學(xué)的定義可知，系統(tǒng)速度與加速度為0，載荷恒定，所以其物理方程可表示為下式[4]：

其中K為系統(tǒng)剛度矩陣，X分別表示位移，F(xiàn)為外力。

在線性靜力分析中必須滿足以下三個(gè)假設(shè)條件：（1）小變形，系統(tǒng)發(fā)生的變形相對(duì)于系統(tǒng)整體尺寸非常小，變形并不顯著影響整個(gè)系統(tǒng)的剛度；（2）線性材料，線性靜力學(xué)問題考慮的是材料在彈性變形階段的行為，即滿足應(yīng)力與應(yīng)變呈正比關(guān)系；（3）固定載荷，線性靜力學(xué)問題中假設(shè)載荷和約束并不隨時(shí)間發(fā)生變化，載荷的加載過程是一個(gè)非常均勻緩慢的過程。

本設(shè)計(jì)中連接后的主體是核心承載結(jié)構(gòu)，根據(jù)機(jī)箱結(jié)構(gòu)可知主體兩側(cè)需承受測(cè)試模塊的重力作用，前部還受到機(jī)頭組件部分的重力作用。由于承載結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，尤其變形量的大小會(huì)影響整體剛度強(qiáng)弱和最終可行性，難以采用理論計(jì)算的方式進(jìn)行求解，后文將采用有限元仿真計(jì)算。

3 仿真分析與結(jié)果

3.1 結(jié)構(gòu)模型的建立

為簡(jiǎn)化計(jì)算量，首先將在Creo5.0中建立的整機(jī)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，刪減測(cè)試模塊、機(jī)頭組件、散熱孔、螺釘?shù)燃?xì)節(jié)部分，只保留受力主體結(jié)構(gòu)，另存為Parasolid（.*x_t）格式，導(dǎo)入到有限元軟件中，如圖2所示。

3.2 材料屬性設(shè)置與網(wǎng)格劃分

將所有構(gòu)件賦予鋁材，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 承載結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型與網(wǎng)格劃分

3.3 承載結(jié)構(gòu)主體受力添加

為了保證足夠的安全系數(shù)，在豎直方向?qū)γ繅K承載折彎件上表面施加100N的壓力，將支撐板的翻邊內(nèi)壁面施加30N的偏載壓力；再考慮重力作用，最后將底腳平面設(shè)置為固定約束。見圖3。

圖3 承載結(jié)構(gòu)主體受力示意圖

圖4 全鋁框架下總體變形云圖

3.4 有限元分析結(jié)果

根據(jù)上述邊界條件及載荷，通過計(jì)算得出全鋁材料承載組件總體變形云圖，如圖4所示?？梢娙X結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致底板中心變形量達(dá)將近0.9mm，該數(shù)值相對(duì)于結(jié)構(gòu)尺寸而言不能忽略，機(jī)箱剛度較差，需對(duì)此薄弱區(qū)域進(jìn)行改進(jìn)。

4 仿真優(yōu)化及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

將底板及承載組件變更為Q235鋼材質(zhì)，適當(dāng)減小材料厚度，其余零件仍為鋁合金，劃分網(wǎng)格后，重新進(jìn)行仿真計(jì)算結(jié)果如圖5。

圖5 優(yōu)化后承載結(jié)構(gòu)總體變形云圖

由圖5可見，變形量已經(jīng)有了較大的改善，測(cè)試模塊滿載情況下最大變形為0.29mm，承重結(jié)構(gòu)的剛度已顯著提高。后續(xù)設(shè)計(jì)時(shí)可考慮通過增加橫梁進(jìn)一步提高機(jī)箱的剛度；另外鋼板材料的選擇在一定程度上增加了整機(jī)的重量，后期將考慮增開散熱孔等減料的方式優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)語

本文提供了基于有限元仿真的機(jī)箱承載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例。依托結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型的建立，對(duì)不同材料下的承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真與分析，發(fā)現(xiàn)薄弱之處，是以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)無法比擬的。仿真數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究具備較高的實(shí)際指導(dǎo)意義，為設(shè)計(jì)的可靠性及可行性提供理論依據(jù)。