新型液冷密閉機(jī)柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

陳 弼,李高杰,朱曾輝,李 謙

(中國船舶集團(tuán)有限公司第八研究院,南京 211153)

0 引 言

隨著艦載相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的快速發(fā)展,密閉機(jī)柜電子器件熱流密度和散熱量快速提高,傳統(tǒng)的風(fēng)冷方式密閉機(jī)柜散熱能力有限,與新裝備日益劇增的散熱需求形成技術(shù)瓶頸,難以滿足裝備后續(xù)發(fā)展的需求。液冷密閉機(jī)柜散熱技術(shù)將逐步成為艦載密閉機(jī)柜下一階段技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)方向。隨著新型艦船集中供冷技術(shù)的全面應(yīng)用,機(jī)柜采用液冷式的高效散熱方案已具備條件[1]。

液冷機(jī)柜在運(yùn)輸及工作中會隨平臺受到過載、沖擊等振動環(huán)境的影響,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既要滿足組件安裝精度需求,又要保證在承受相關(guān)振動沖擊時(shí)的結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度[2]。本文創(chuàng)新性地采用圖乘法,根據(jù)沖擊載荷及自身重量引起的力矩及最大容許變形量Δ反推機(jī)柜慣性矩,快速確定機(jī)柜的截面參數(shù),然后基于有限元技術(shù),利用ANSYS軟件對該機(jī)柜進(jìn)行仿真驗(yàn)證,分析了結(jié)構(gòu)在承受過載、沖擊、隨機(jī)振動等載荷時(shí)的剛強(qiáng)度性能,將圖乘法計(jì)算的變形量與仿真結(jié)果進(jìn)行比較,進(jìn)而驗(yàn)證了圖乘法設(shè)計(jì)的有效性。

1 液冷密閉機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)柜結(jié)構(gòu)原理及布局設(shè)計(jì)

液冷密閉機(jī)柜安裝液冷機(jī)箱,液冷機(jī)箱呈單列可擴(kuò)展布局,液冷密閉機(jī)柜最多可容納3個(gè)液冷機(jī)箱[3],如圖1～4所示,主要結(jié)構(gòu)包括以下組成部分:柜體1底部設(shè)有進(jìn)液管2、回液管3,柜體1內(nèi)部右側(cè)設(shè)有流量分配模塊4,液冷機(jī)箱5通過支架固定在柜體內(nèi)部,液冷機(jī)箱底、頂部設(shè)有快插水插頭6,通過管路與與流量分配模塊4相連。

圖1 液冷機(jī)柜正面視圖

圖2 液冷機(jī)柜內(nèi)部視圖

圖3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)(去除柜體)視圖

圖4 液冷機(jī)箱示意圖

該液冷機(jī)柜的工作原理具體如下:

(1)冷卻液從柜體1底部的進(jìn)液管2進(jìn)入流量分配模塊4;

(2)流量分配模塊4對冷卻液流量進(jìn)行分配,通過管路輸送至液冷機(jī)箱5進(jìn)液口;

(3)液冷機(jī)箱5頂、底部的快插水插頭6將冷卻液輸送進(jìn)液冷機(jī)箱進(jìn)液口;

(4)液冷機(jī)箱5內(nèi)部經(jīng)過固-液熱交換,帶走內(nèi)部熱量;

(5)冷卻液從液冷機(jī)箱5頂、底部回液口通過快插水插頭6回到流量分配模塊4,最終從回液管3排出。

1.2 機(jī)柜圖乘法設(shè)計(jì)

根據(jù)材料力學(xué)中莫爾定理,對以抗彎為主的結(jié)構(gòu)計(jì)算任意一點(diǎn)位移,可表示為

(1)

式(1)中的積分稱為莫爾積分。對于等截面結(jié)構(gòu),莫爾積分中的EI為常量,可以提出積分符號。但是對于變截面結(jié)構(gòu),可以將整個(gè)機(jī)柜離散為若干分段,使得I值相等的部分歸為一段,這樣每個(gè)分段中的EI便為常量,也可提出積分符號[4],于是式(1)可化為

(2)

根據(jù)材料力學(xué)知識,式(2)可表示為

(3)

利用式(3)結(jié)果,在變截面結(jié)構(gòu)中式(2)化為

(4)

式(4)即為圖乘法求變截面變形的計(jì)算公式[5]。

機(jī)柜材料為鑄鋁ZL101A-S-T5,參數(shù)如下:密度2700 kg/m3,彈性模量70 GPa,泊松比0.33,機(jī)殼質(zhì)量預(yù)估為152 kg,上裝設(shè)備預(yù)估為184 kg。

(7)

將式(5)～(7)代入式(2),得到機(jī)殼慣性矩要求I≥61 187 814 mm4。利用NX軟件計(jì)算現(xiàn)有機(jī)殼截面慣性矩,得到I=61 223 561mm4(如圖5),大于圖乘法求解要求,因此理論上總變形量Δ滿足液冷機(jī)箱內(nèi)模塊盲插要求。

圖5 機(jī)殼截面慣性矩

2 液冷密閉機(jī)柜有限元分析驗(yàn)證

盡管機(jī)柜在使用之前均要進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn),但由于試驗(yàn)條件所限,許多問題難以及時(shí)發(fā)現(xiàn),即使發(fā)現(xiàn)也經(jīng)常由于研制周期而難以修改,因?yàn)槎啻畏磸?fù)會嚴(yán)重耽誤研制進(jìn)度。在復(fù)雜的振動環(huán)境中,為了保證結(jié)構(gòu)的完好性及其內(nèi)部電子設(shè)備的正常工作性能與研制進(jìn)度,有必要從設(shè)計(jì)階段起就開展全面深入的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)過載及動力仿真分析,為提高機(jī)柜的抗振動沖擊性能提供有效的依據(jù)和方法。

該模型坐標(biāo)系定義如下:垂直于機(jī)柜安裝面為Z向,機(jī)柜開口方向?yàn)閅向,按照右手螺旋定則確定X向。模型包含645 581個(gè)單元、1 200 156個(gè)節(jié)點(diǎn)。

靜力學(xué)過載分析可以保證結(jié)構(gòu)在承受穩(wěn)態(tài)載荷時(shí)不出現(xiàn)損傷或破壞,但來自運(yùn)輸、工作時(shí)的沖擊、隨機(jī)振動等動力學(xué)載荷對結(jié)構(gòu)力學(xué)的性能影響更大。本文基于模態(tài)動力學(xué)方法開展機(jī)柜結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)分析。

2.1 模態(tài)分析

可提取出模型的固有頻率和模態(tài)振型。對機(jī)柜施加約束,進(jìn)行前6階模態(tài)的分析計(jì)算,其固有頻率如表1所示,前4階模態(tài)的固有頻率在50 Hz內(nèi)。為了解各模態(tài)振型規(guī)律,查看其各階頻率下對應(yīng)的振型云圖[6],如圖6、圖7所示,可以看出:在50 Hz頻率以下機(jī)柜頂部及側(cè)面變形較大,在50 Hz頻率以上機(jī)柜側(cè)面與插箱變形較大。

表1 機(jī)柜固有頻率表(單位:Hz)

圖6 1～3階模態(tài)

圖7 4～6階模態(tài)

2.2 隨機(jī)振動分析

機(jī)柜在車載運(yùn)輸過程中受到隨機(jī)振動激勵,須進(jìn)行隨機(jī)載荷分析。針對改進(jìn)模型,進(jìn)一步開展隨機(jī)振動分析?？紤]到機(jī)柜的Z向剛強(qiáng)度較好,此處僅計(jì)算X和Y方向。仿真振動條件見GJB150.16A-2009,后者規(guī)定的公路運(yùn)輸環(huán)境如圖8、圖9所示。根據(jù)如圖10、圖11所示的功率譜密度加載。

圖8 公路運(yùn)輸環(huán)境(橫側(cè)軸)

圖11 功率譜密度加載(縱向軸)

機(jī)柜在隨機(jī)振動載荷下的應(yīng)力和位移分布如圖12、13所示?？梢钥闯?機(jī)柜在承受橫向軸隨機(jī)振動時(shí),最大3σ等效應(yīng)力為63.74 MPa,最大3σ等效應(yīng)變?yōu)?.31 mm;在承受縱向軸隨機(jī)振動時(shí)最大3σ等效應(yīng)力為75.3 MPa,最大3σ等效應(yīng)變?yōu)?.34 mm,最大應(yīng)力出現(xiàn)在背部減震器安裝孔處,可局部加厚安裝凸臺以提高強(qiáng)度[3]。按照ZL101A-S-T5鑄鋁材料的屈服強(qiáng)度180 MPa、安全系數(shù)1.5校核,該機(jī)柜在公路運(yùn)輸?shù)碾S機(jī)振動功率譜激勵下滿足設(shè)計(jì)要求。

圖12 X向隨機(jī)振動應(yīng)力和應(yīng)變云圖

圖13 Y向隨機(jī)振動應(yīng)力和應(yīng)變云圖

2.3 沖擊載荷分析

該液冷機(jī)柜安裝在艦船上,工作過程中受到海洋環(huán)境沖擊載荷的影響。本文采用瞬態(tài)動力學(xué)方法分析機(jī)柜在承受沖擊載荷時(shí)的強(qiáng)度。仿真加載條件如圖14所示,采用半正弦方式,脈沖時(shí)間為30 ms,峰值加速度為15 g,沖擊方向:±OX﹑±OY和±OZ。計(jì)算結(jié)果如圖15～18所示。

圖15 X向沖擊應(yīng)力

圖16 Y向沖擊應(yīng)力

圖17 Z向沖擊應(yīng)力

圖18 最大應(yīng)變處

可以看出,在X向沖擊下結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為125.65 MPa,在Y向沖擊下結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為86.7 MPa,在Z向沖擊下最大應(yīng)力為51.8 MPa,最大應(yīng)力均出現(xiàn)在液冷機(jī)箱安裝支架處,因此該機(jī)柜在Y、Z向具有很好的強(qiáng)度,但X向較差,按照ZL101A鑄鋁材料的屈服強(qiáng)度180 MPa、安全系數(shù)1.5校核,該機(jī)柜在工作環(huán)境沖擊載荷激勵下滿足設(shè)計(jì)要求,但薄弱環(huán)節(jié)須加強(qiáng)。由于安裝支架壁厚較薄,在沖擊載荷下沖擊響應(yīng)較大,使得與之連接的螺栓孔受到較大應(yīng)力,因此要對此處結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部加強(qiáng)改進(jìn),最大應(yīng)變出現(xiàn)在X向,應(yīng)變值為3.61 mm,略小于圖乘法計(jì)算總變形量Δ=4 mm,圖乘法計(jì)算值較為準(zhǔn)確。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種新型液冷密閉機(jī)柜,機(jī)柜內(nèi)部空間布局合理,采用快插式水冷管路連接,對設(shè)備安裝的定位精度要求低。創(chuàng)新性地采用圖乘法,根據(jù)沖擊載荷及自身重量引起的力矩,結(jié)合最大容許變形量Δ反推機(jī)柜慣性矩,從而快速確定機(jī)柜的截面參數(shù),然后對該型液冷機(jī)柜在沖擊、隨機(jī)振動等載荷作用下進(jìn)行動力學(xué)響應(yīng)分析,通過比較仿真結(jié)果與圖乘法的計(jì)算值驗(yàn)證了圖乘法設(shè)計(jì)的有效性。結(jié)果表明:圖乘法計(jì)算值與仿真結(jié)果相符,滿足剛強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求,是一種有效的位移控制方法。

圖乘法結(jié)合有限元分析的設(shè)計(jì)方法可為相似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證提供重要參考,可大幅提高設(shè)計(jì)效率,為機(jī)柜設(shè)計(jì)定型和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供可靠依據(jù),對于縮短產(chǎn)品研制周期、降低成本、減少返工等具有重要意義。