機(jī)架式服務(wù)器緩沖與隔振包裝設(shè)計(jì)

■ 文/戚德彬，董建華，張小偉

（1.訊牧信息科技（上海）有限公司；2.英業(yè)達(dá)科技有限公司）

隨著信息化社會(huì)的快速發(fā)展，以及近年來(lái)5G、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算等行業(yè)蓬勃發(fā)展，服務(wù)器的需求量日益增長(zhǎng)。其中19 in（1 in=2.54 cm）工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)架式服務(wù)器，因其空間占用少，可拓展性強(qiáng)，適合大規(guī)模密集部署等優(yōu)點(diǎn)，廣泛被企業(yè)采用。運(yùn)輸和裝卸過(guò)程中的振動(dòng)和沖擊是造成機(jī)架式服務(wù)器結(jié)構(gòu)或功能失效的重要因素[1-2]。機(jī)架式服務(wù)器緩沖包裝的緩沖性能不足導(dǎo)致貨損將對(duì)企業(yè)造成巨大損失；未考慮到隔振性能的緩沖包裝將增大機(jī)架式服務(wù)器交付后的可靠性風(fēng)險(xiǎn)[3]。故而科學(xué)的、合理的機(jī)架式服務(wù)器緩沖和隔振包裝設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

1 機(jī)架式服務(wù)器的組成

機(jī)架式服務(wù)器是配置更高的計(jì)算機(jī)，一臺(tái)機(jī)架式服務(wù)器通常由機(jī)箱、主板、中央處理器及其散熱器、內(nèi)存、硬盤(pán)、風(fēng)扇模組、電源模組及PCIe擴(kuò)展卡組成。機(jī)箱材質(zhì)為熱浸鋅鋼板(SGCC)，掛耳材質(zhì)通常為工程塑料(ABS)，主板材質(zhì)通常為玻纖布基覆銅板(FR4)[4～5]。機(jī)架式服務(wù)器的機(jī)箱可以看成一個(gè)薄壁形的矩形容器，前部?jī)蓚?cè)為掛耳，掛耳位置一般有電源鍵和一些傳感器；機(jī)箱前部有格柵式結(jié)構(gòu)，用于放置硬盤(pán)；主板用螺絲鎖固在機(jī)箱底面上；風(fēng)扇模組一般放置在主板正前方；中央處理器及其散熱器用螺絲固定在主板上；內(nèi)存被固定在主板的內(nèi)存插槽上；電源模組通常被安置在機(jī)箱尾部的一側(cè)，呈水平放置或者垂直層疊放置；PCIe擴(kuò)展卡一般被鎖固在機(jī)箱尾部的主板或者主板的轉(zhuǎn)接卡上；機(jī)箱尾部的突出部分有PCIe支架、電源模組的把手和撥片，網(wǎng)卡及顯示器的接口等。

機(jī)架式服務(wù)器的厚度尺寸用“U”來(lái)定義，U是Unit的縮略語(yǔ)，1U等于44.45 mm，2U等于88.9 mm，該尺寸是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）規(guī)定的，是行業(yè)通用標(biāo)準(zhǔn)。以典型的2U機(jī)架式服務(wù)器為例，其長(zhǎng)度不固定，一般為700～900 mm，寬度(加上兩邊掛耳)為482 mm，厚度為88.9 mm。其質(zhì)量因客戶(hù)對(duì)硬盤(pán)、PCIe擴(kuò)展卡等配置需求改變而改變，通常情況下2U機(jī)架式服務(wù)器質(zhì)量為20～28 kg。

某典型的機(jī)架式服務(wù)器內(nèi)部布局見(jiàn)圖1。

圖1 典型2U機(jī)架式服務(wù)器結(jié)構(gòu)

從沖擊和振動(dòng)的角度來(lái)看，機(jī)架式服務(wù)器結(jié)構(gòu)典型的薄弱位置一般有三類(lèi)，具體見(jiàn)表1。

表1 部分結(jié)構(gòu)沖擊測(cè)試條件

表1 長(zhǎng)邊垂懸對(duì)抗壓強(qiáng)度影響

2 機(jī)架式服務(wù)器的結(jié)構(gòu)特性

2.1 結(jié)構(gòu)仿真分析與結(jié)構(gòu)沖擊測(cè)試

機(jī)架式服務(wù)器在設(shè)計(jì)階段會(huì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真，考察機(jī)架式服務(wù)器結(jié)構(gòu)在沖擊和振動(dòng)下的強(qiáng)度，并提出改善建議。根據(jù)模態(tài)仿真計(jì)算的結(jié)果，機(jī)架式服務(wù)器的前幾階模態(tài)頻率分布在35～55 Hz，各模態(tài)頻率下的模態(tài)振型為上蓋和機(jī)箱底座上的上下振動(dòng)。主板的一階模態(tài)頻率一般大于70 Hz，一階模態(tài)振型為上下振動(dòng)。

在樣機(jī)測(cè)試階段，測(cè)試人員用沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)機(jī)架式服務(wù)器裸機(jī)進(jìn)行沖擊測(cè)試，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)（包括機(jī)殼、部件、連接器和焊點(diǎn)）的沖擊強(qiáng)度[4]，用振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)對(duì)機(jī)架式服務(wù)器裸機(jī)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試，驗(yàn)證主板及關(guān)鍵部件的耐振和功能完整性。結(jié)構(gòu)沖擊測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是參考IEC 60068-2-27來(lái)制定的，測(cè)試時(shí)將裸機(jī)固定在沖擊試驗(yàn)機(jī)上，裸機(jī)底部參考緩沖材料的支撐位置放置支撐塊。測(cè)試裝置如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)沖擊測(cè)試裝置

摘取了部分結(jié)構(gòu)測(cè)試條件如表2所示。測(cè)試人員對(duì)機(jī)架式服務(wù)器按照下表中的測(cè)試條件進(jìn)行測(cè)試，若測(cè)試出結(jié)構(gòu)問(wèn)題則反饋給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，直至測(cè)試全部完成且測(cè)試通過(guò)為止。

2.2 緩沖與隔振包裝設(shè)計(jì)依據(jù)

對(duì)機(jī)架式服務(wù)器按照ASTM D3222進(jìn)行產(chǎn)品破損邊界曲線(xiàn)的測(cè)試無(wú)疑是復(fù)雜的且花費(fèi)巨大，不同型號(hào)的產(chǎn)品之間因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)及材料的差異產(chǎn)生不同的破損邊界曲線(xiàn)，就算是相同型號(hào)的產(chǎn)品，6個(gè)沖擊方向也產(chǎn)生6條不同的破損邊界曲線(xiàn)[6-8]。如果嚴(yán)格按照這種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，不同型號(hào)服務(wù)器產(chǎn)品緩沖襯墊的尺寸大部分不相同，導(dǎo)致紙箱尺寸不同，甚至棧板尺寸也不同，造成包裝物料無(wú)法通用。且破損邊界曲線(xiàn)的測(cè)試是在樣機(jī)測(cè)試階段，往往項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)也不允許包裝設(shè)計(jì)介入時(shí)間太晚。

因此，需要找到一種簡(jiǎn)單且統(tǒng)一的機(jī)架式服務(wù)器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，以利于包裝設(shè)計(jì)參考，在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)下既不產(chǎn)生明顯的過(guò)包裝，又能使得大部分的包裝物料得以通用，這是機(jī)架式服務(wù)器包裝設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)需求。

從前面的結(jié)構(gòu)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中可以得到機(jī)架式服務(wù)器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度信息，即測(cè)試條件是落在破損邊界曲線(xiàn)[6-7]安全區(qū)中的三個(gè)點(diǎn)，以40 g作水平線(xiàn)作為臨界加速度線(xiàn)，以1.76 m/s作垂直線(xiàn)作為臨界速度變化量線(xiàn)（見(jiàn)圖3）。需要注意的是，以此形成的“破損邊界曲線(xiàn)”并不能反應(yīng)產(chǎn)品的真實(shí)強(qiáng)度，但是工程上作為緩沖設(shè)計(jì)依據(jù)是足夠的。

圖3 假設(shè)的破損邊界曲線(xiàn)

結(jié)構(gòu)仿真分析的結(jié)果給隔振包裝設(shè)計(jì)的參考性在于，緩沖材料的設(shè)計(jì)需要盡量避開(kāi)產(chǎn)品本身的前幾階模態(tài)頻率，即產(chǎn)品+包裝組成的包裝系統(tǒng)，其振動(dòng)放大區(qū)域的頻率范圍盡量低于35 Hz。如此，運(yùn)輸過(guò)程中的包裝件受到運(yùn)輸工具的振動(dòng)激勵(lì)時(shí)，大于35 Hz以上的振動(dòng)激勵(lì)經(jīng)過(guò)緩沖材料的過(guò)濾，傳遞到產(chǎn)品上的振動(dòng)幅值降低，激發(fā)出的產(chǎn)品前幾階共振幅值較小，產(chǎn)品及內(nèi)部部件較為安全。

3 緩沖與隔振包裝設(shè)計(jì)

3.1 緩沖包裝設(shè)計(jì)

發(fā)泡聚乙烯(EPE)俗稱(chēng)珍珠棉，具有化學(xué)性能穩(wěn)定好，緩沖和回彈性好，易加工，可回收等特點(diǎn)，是應(yīng)用最為廣泛的緩沖材料之一[9]。EPE的緩沖性能是參照GB/T 8167-2008動(dòng)態(tài)緩沖試驗(yàn)方法經(jīng)測(cè)試得到的，由最大加速度-靜應(yīng)力曲線(xiàn)來(lái)描述。

以某型號(hào)機(jī)架式服務(wù)器產(chǎn)品質(zhì)量為26 kg，預(yù)估的帶包裝毛重為30～32 kg為例，由前面的分析可以得到以下緩沖包裝設(shè)計(jì)參數(shù)：1.跌落高度為510 mm。2.速度變化量大于1.76 m/s時(shí)產(chǎn)品所能承受的沖擊加速度幅值為40 g。由EPE廠(chǎng)家Sealed Air提供的，27 kg/m3(1.7 PCF)和35 kg/m3(2.2 PCF)兩種密度的EPE在18 in跌落高度下的最大加速度—靜應(yīng)力曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 18 in跌落高度最大加速度—靜應(yīng)力曲線(xiàn)

由機(jī)架式服務(wù)器尺寸所算出的全面緩沖包裝時(shí)每個(gè)方向上的最小靜應(yīng)力為：前后方向：約0.85 PSI，左右方向：約0.5 PSI 上下方向：約0.1 PSI。從圖4中可以看到每個(gè)方向上不同厚度下的預(yù)估最大加速度，表明每個(gè)方向上的緩沖面積均過(guò)大，尤其上下方向上采用局部緩沖即可。

運(yùn)輸容器通常采用瓦楞紙箱，瓦楞紙箱的內(nèi)尺寸設(shè)計(jì)不僅僅要考慮緩沖襯墊的厚度，也要考慮與之配合的棧板尺寸，盡量做到紙箱的通用性。國(guó)內(nèi)通用的棧板尺寸有兩個(gè)，1 200×1 000 mm是推薦的尺寸。故一個(gè)棧板上擺放兩臺(tái)機(jī)器，1 000 mm方向與機(jī)架式服務(wù)器長(zhǎng)度平行，600 mm方向與機(jī)架式服務(wù)器寬度平行，如此可以充分利用棧板的空間。

結(jié)合圖4中的緩沖性能曲線(xiàn)，考慮到紙箱與棧板的配合和物料的通用性，可以得到各個(gè)方向上的最佳緩沖厚度和最佳靜應(yīng)力值設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 最佳厚度與凈應(yīng)力值設(shè)計(jì)參數(shù)—考慮緩沖

3.2 隔振包裝設(shè)計(jì)

EPE緩沖襯墊設(shè)計(jì)滿(mǎn)足了緩沖性能之后，要考慮隔振性能。由前面的分析可以得到，包裝+產(chǎn)品組成的包裝系統(tǒng)，其振動(dòng)放大區(qū)域小于35 Hz，作為第一個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)。EPE的振動(dòng)傳遞性能是參照GB/T 8169-2008包裝用緩沖材料振動(dòng)傳遞特性試驗(yàn)方法經(jīng)測(cè)試得到的，改變緩沖材料所承受的靜壓力值，并將特定的頻率用線(xiàn)段連接起來(lái)，形成了耦合區(qū)(Coupling Zone)、放大區(qū)(Amplification Zone)、衰減區(qū)(Attenuation Zone)和共振頻率線(xiàn)，即表述了EPE的振動(dòng)傳遞性能。由EPE廠(chǎng)家Sealed Air提供的，27 kg/m3(1.7 PCF)和35 kg/m3(2.2 PCF)兩種密度的EPE的振動(dòng)傳遞性能曲線(xiàn)見(jiàn)圖5。

圖5 EPE振動(dòng)傳遞特性曲線(xiàn)

以圖5（a）為例，列出了1.7 PCF密度下，2～4 in厚度的EPE泡棉在不同的靜壓力值下的振動(dòng)傳遞特性。圖的右邊有陸運(yùn)（Track）和鐵路運(yùn)輸（Rail），用不同的陰影表示該頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)激勵(lì)幅值較大，即設(shè)計(jì)上需要避免共振頻率落在陰影范圍內(nèi)，這是第二個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

EPE材料是板材，由人工將各個(gè)部件熔接起來(lái)。因此受EPE緩沖襯墊的結(jié)構(gòu)所限，某些方向上的靜應(yīng)力值并不能做到很大，通常情況下可以通過(guò)凸臺(tái)的設(shè)計(jì)來(lái)提高靜壓力值，這樣既不損失跌落狀態(tài)下EPE泡棉對(duì)產(chǎn)品的支撐，又可以在壓縮量小的振動(dòng)工況下獲得較大的靜壓力值。

結(jié)合圖4的EPE緩沖性能曲線(xiàn)和圖5的EPE振動(dòng)傳遞特性曲線(xiàn)，可以對(duì)表3中的靜壓力值進(jìn)行修正，修正后的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 最佳厚度與凈應(yīng)力值設(shè)計(jì)參數(shù)—考慮緩沖與隔振

4 包裝測(cè)試結(jié)果

以某典型2U服務(wù)器為例，其尺寸長(zhǎng)×寬×高為：760 mm×447 mm×89 mm，質(zhì)量為26 kg。按照第3章的方法，進(jìn)行EPE緩沖和隔振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以AB楞瓦楞紙箱作為運(yùn)輸容器，包裝件內(nèi)尺寸為960 mm×584 mm×241 mm，質(zhì)量為31 kg。跌落試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為：Lansmont PDT 300，跌落高度為510 mm。加速度傳感器的型號(hào)為：PCB 356A01，加速度傳感器粘貼在機(jī)架式服務(wù)器側(cè)表面，靠近重的一側(cè)且靠近機(jī)箱邊緣位置。傳感器安裝位置如圖6所示。

圖6 傳感器安裝位置

包裝件及跌落測(cè)試裝置如圖7所示。

圖7 包裝件及跌落測(cè)試裝置

分別進(jìn)行6個(gè)面的跌落，跌落測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 跌落測(cè)試加速度響應(yīng)參數(shù)

對(duì)包裝件進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試，隨機(jī)振動(dòng)的加速度功率密度譜(PSD)參照ISTA標(biāo)準(zhǔn)，從振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)的控制界面上可以看到隨機(jī)振動(dòng)的控制PSD曲線(xiàn)和傳感器響應(yīng)的PSD曲線(xiàn)，得到包裝件的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)放大的頻率區(qū)域，亦可以看到響應(yīng)的PSD曲線(xiàn)小于控制PSD曲線(xiàn)的部分，該部分即振動(dòng)響應(yīng)衰減區(qū)域。放大區(qū)域和衰減區(qū)域的臨界頻率即交越頻率(Crossover Frequency)。交越頻率和共振頻率的測(cè)試結(jié)果如表6所示。

表6 隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試加速度響應(yīng)參數(shù)

5 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)的產(chǎn)品破損邊界曲線(xiàn)測(cè)試往往耗時(shí)耗力，一般企業(yè)無(wú)力進(jìn)行，找到一種通用性好且可操作性強(qiáng)的包裝設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是企業(yè)的現(xiàn)實(shí)需求。參考機(jī)架式服務(wù)器的機(jī)械沖擊測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，得到了假想的產(chǎn)品破損邊界曲線(xiàn)，可以作為機(jī)架式服務(wù)器緩沖包裝設(shè)計(jì)的依據(jù)。參考機(jī)架式服務(wù)器的仿真分析結(jié)果，得到隔振包裝設(shè)計(jì)的目標(biāo)是振動(dòng)放大區(qū)域最大頻率小于35 Hz，且共振頻率應(yīng)避開(kāi)15～20 Hz的范圍。從緩沖材料的緩沖性能曲線(xiàn)和振動(dòng)傳遞性能曲線(xiàn)中可以得到機(jī)架式服務(wù)器較為通用的設(shè)計(jì)參數(shù)。通過(guò)某型號(hào)產(chǎn)品的實(shí)測(cè)，證實(shí)了該設(shè)計(jì)方法的有效性。包裝設(shè)計(jì)往往是在用料最省和物料通用性之間找到平衡點(diǎn)，本文的設(shè)計(jì)方法與思路可以為同類(lèi)型產(chǎn)品的包裝設(shè)計(jì)所參考。