船用電子機(jī)柜力學(xué)性能仿真計(jì)算

摘 要：為了指導(dǎo)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出了一種快速預(yù)測(cè)船用電子機(jī)柜力學(xué)試驗(yàn)性能的數(shù)值模擬方法。根據(jù)船用電子設(shè)備結(jié)構(gòu)力學(xué)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)某型船用電子機(jī)柜進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)仿真分析。首先，利用有限元軟件ANSYS建立電子機(jī)柜的有限元模型;其次，基于有限元數(shù)值求解方法，計(jì)算機(jī)柜的模態(tài)頻率、正弦掃頻響應(yīng)、顛震響應(yīng)和沖擊響應(yīng);最后，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)機(jī)柜進(jìn)行強(qiáng)度校核，驗(yàn)證機(jī)柜力學(xué)設(shè)計(jì)可靠性。結(jié)果表明，機(jī)柜殼體頂部和底部直角、側(cè)面凸臺(tái)以及背部直角附近的應(yīng)力較高，但都低于機(jī)柜殼體鑄件的最大許用應(yīng)力;機(jī)柜在各個(gè)試驗(yàn)條件下具有較高的可靠性。船用機(jī)柜的力學(xué)性能仿真計(jì)算方法對(duì)同類型的其他電子設(shè)備力學(xué)分析具有較好的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：機(jī)柜;模態(tài)頻率;正弦掃頻;沖擊響應(yīng)

中圖分類號(hào)：U674.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.3969/j.issn.1673-3819.2024.06.018

Simulation calculation on mechanical properties of marine electronic cabinet

LUO Xiancheng

（Jiangsu Automation Research Institute， Lianyungang 222061， China）

Abstract：In order to guide and optimize structural design， this paper proposes a numerical simulation method for quickly predicting the mechanical test performance of marine electronic cabinets. According to the structural mechanics test standard of marine electronic equipment， the mechanical test simulation analysis of a type of marine electronic cabinet is carried out. Firstly， the finite element model of the electronic cabinet is established by ANSYS. Secondly， based on finite numerical solution method， the modal frequency， sine sweep vibration response， bumping response and shock response of the cabinet were obtained. Finally， according to the calculation results， the strength of the cabinet is checked， and the mechanical reliability of the cabinet is analyzed. The results show that the stresses near the right angles at the top and bottom， side boss and the right angles at the back are relatively high， but they are all lower than the maximum allowable stress of the cabinet， and the cabinet can work reliably under various test conditions. The modeling and analysis method presented in this paper can provide a good reference for the mechanical analysis of similar electronic equipment.

Key words：cabinet; modal frequency; sine sweep; shock response

收稿日期：2023-12-04 修回日期：2024-01-08

作者簡(jiǎn)介：

羅賢成（1993—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)榇半娮釉O(shè)備總體設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)研發(fā)。

由于船舶各種電子設(shè)備經(jīng)常受到船舶隨機(jī)振動(dòng)、顛震及沖擊等動(dòng)載荷作用，機(jī)柜等電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須保證強(qiáng)度、剛度以及疲勞壽命滿足相應(yīng)要求。船用電子設(shè)備環(huán)境使用條件惡劣，由環(huán)境問題造成設(shè)備失效的比例高達(dá)50％，其中振動(dòng)因素占比達(dá)到27％。設(shè)備產(chǎn)生的共振問題可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備電性能差、零部件功能失效和設(shè)備疲勞損傷甚至破壞等問題［1］。同時(shí)，相對(duì)于船舶有一定距離的水下非接觸爆炸作用將引起船舶突發(fā)的瞬態(tài)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)對(duì)船舶而言就是沖擊載荷。水面船舶不可避免地遭受非接觸爆炸引起的沖擊問題，非接觸式水下爆炸產(chǎn)生氣泡脈動(dòng)和沖擊載荷［2］，船舶設(shè)備在沖擊作用下極易失效。為提高船舶整體抗沖擊能力，必須在設(shè)計(jì)階段將船舶設(shè)備抗振動(dòng)和抗沖擊性能作為一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)因素［3］，針對(duì)船舶電子設(shè)備剛強(qiáng)度沖擊特性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證分析。

國(guó)內(nèi)已有很多學(xué)者對(duì)電子設(shè)備抗振動(dòng)和沖擊性能展開了研究。高學(xué)斌等人［4］采用有限元分析軟件對(duì)電子機(jī)柜進(jìn)行了仿真分析，運(yùn)用整體法及質(zhì)量點(diǎn)法分別建立了機(jī)柜有限元模型，獲得了機(jī)柜在x、y、z方向的固有頻率值。朱曾輝等人［5］基于諧響應(yīng)理論分析，對(duì)氣液交換器的離心風(fēng)機(jī)安裝架進(jìn)行正弦振動(dòng)計(jì)算。金恒林［6］基于Workbench研究分析了某機(jī)載電子設(shè)備在惡劣振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)條件下的隨機(jī)振動(dòng)特性。崔健祿等人［7］采用Workbench有限元分析軟件探討電子設(shè)備在后坐力沖擊載荷下的靜力學(xué)和瞬態(tài)結(jié)構(gòu)響應(yīng)。郝云鵬等人［8］通過模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究機(jī)柜的破壞情況。李健等人［9］根據(jù)艦載環(huán)境振動(dòng)和沖擊特性研究機(jī)柜減振器的特性。但這些研究仍然缺乏系統(tǒng)的力學(xué)試驗(yàn)仿真研究方法。本文從節(jié)省試驗(yàn)成本和快速預(yù)判結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性角度出發(fā)，以某型電子機(jī)柜作為研究對(duì)象，結(jié)合使用ANSYS軟件進(jìn)行了系統(tǒng)、全面的有限元仿真分析，參考相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［10-12］，模擬機(jī)柜掃頻分析、半正弦波顛震和沖擊試驗(yàn)條件，對(duì)柜體進(jìn)行強(qiáng)度校核分析，并依據(jù)校核標(biāo)準(zhǔn)給出了校核結(jié)果。本文的研究方法對(duì)各種船用設(shè)備力學(xué)性能分析均具有參考價(jià)值。

1 理論分析

電子設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在動(dòng)力學(xué)分析中常將其簡(jiǎn)化為多自由度系統(tǒng)，而單自由度系統(tǒng)是多自由度系統(tǒng)中最簡(jiǎn)單的形式，多自由度系統(tǒng)振動(dòng)的許多基本概念將先在單自由度系統(tǒng)的討論中建立，進(jìn)而推廣到其他多自由度系統(tǒng)中［13］。圖1為單自由度彈簧阻尼系統(tǒng)。

2 力學(xué)仿真分析

基于以上理論分析，本文利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)某典型電子機(jī)柜力學(xué)試驗(yàn)進(jìn)行了仿真計(jì)算分析，可以快速預(yù)測(cè)機(jī)柜在各試驗(yàn)工況下的力學(xué)性能，為機(jī)柜設(shè)計(jì)提供參考。

2.1 力學(xué)模型

機(jī)柜由柜體、各單元、減震器、轉(zhuǎn)接插板等組成，外形尺寸為540 mm（寬）×580 mm（深，不含減震器）×1 600 mm（高），機(jī)柜外觀見圖2。柜體具有安裝和保護(hù)各插箱、各模塊作用，是直接承受外部載荷的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞，將直接影響整體設(shè)備的工作穩(wěn)定性和可靠性。柜體主體結(jié)構(gòu)采用鋁合金（ZL101A）整體鑄造而成，其底部減震器可與船體連接。柜體內(nèi)的各插箱單元主要用于實(shí)現(xiàn)機(jī)柜顯示、計(jì)算、處理等功能，通過面板螺釘、導(dǎo)軌和定位銷與柜體相連。坐標(biāo)系滿足右手法則，規(guī)定為：柜前由右向左為X正向;由柜后向柜前為Y向正向;豎直向上為Z正向。

各插箱單元通過面板螺釘、定位銷與柜體進(jìn)行連接。為了簡(jiǎn)化有限元計(jì)算，柜體內(nèi)單元均簡(jiǎn)化成塊，保證各單元的質(zhì)量配平，這樣既能考慮機(jī)柜和各插箱單元的剛度和質(zhì)量，又可以重點(diǎn)分析柜體主體框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合振動(dòng)、顛震、沖擊等力學(xué)試驗(yàn)有限元分析，獲得柜體主體框架的強(qiáng)度校核結(jié)果。

本文根據(jù)機(jī)柜的工作狀態(tài)和受力情況簡(jiǎn)化幾何模型，由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為了減小計(jì)算規(guī)模，同時(shí)提高計(jì)算效率，將原幾何模型中對(duì)分析結(jié)果影響較小的幾何特征去除，如幾何模型中的倒角、圓角和非安裝連接孔等。本文后續(xù)力學(xué)分析均是基于簡(jiǎn)化模型進(jìn)行的。

簡(jiǎn)化模型共分為兩個(gè)層次。第一層次為減震器，減震器可以看作帶有阻尼的彈簧，在實(shí)際分析過程中，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，將減震器看作剛性體，將經(jīng)過減震器衰減后的載荷作為分析輸入。第二層次為空殼體，殼體和減震器、各個(gè)單元面板采用無摩擦接觸（frictionless接觸），就是說，一旦兩個(gè)物體之間出現(xiàn)了分離，則法向力為零。因此，當(dāng)外力發(fā)生改變時(shí)，接觸面之間可能會(huì)分開，也可能會(huì)閉合，閉合情況下假設(shè)摩擦系數(shù)為零，即發(fā)生切向相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，沒有摩擦力，由于不考慮摩擦，計(jì)算所得的應(yīng)力值大于實(shí)際值，這實(shí)際是一種安全系數(shù)較高的算法。各個(gè)組件和螺釘頭及螺紋接觸的部分采用綁定接觸（bonded），使用綁定接觸以后，在接觸面或者接觸邊之間不存在切向的相對(duì)滑動(dòng)或者法向的相對(duì)分離，該種設(shè)置符合工程實(shí)際。

機(jī)柜內(nèi)各個(gè)部件材料見表1。

簡(jiǎn)化后的殼體網(wǎng)格劃分如圖3所示，網(wǎng)格總數(shù)為785 770，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1 305 467。

通過安裝位置可知，機(jī)柜背部和底部均安裝減震器，共6個(gè)安裝孔，如圖4所示。

2.2 模態(tài)分析

機(jī)柜殼體的前六階固有頻率計(jì)算結(jié)果如表2所示。圖5為機(jī)柜殼體前六階各模態(tài)振型，第一階、第二階為殼體前后方向振動(dòng)，第三階、第四階為殼體左右方向振動(dòng)，第五階、第六階為殼體垂直方向振動(dòng)。掃頻試驗(yàn)及耐振試驗(yàn)可重點(diǎn)關(guān)注殼體整體共振點(diǎn)的應(yīng)力及變形情況。

2.3 正弦掃頻分析

振動(dòng)試驗(yàn)激勵(lì)條件見表3。對(duì)機(jī)柜殼體的有限元模型施加正弦振動(dòng)載荷譜作用，選取結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)為0.05，由于載荷譜激勵(lì)的頻率范圍為1 Hz～160 Hz，施加載荷以保證覆蓋載荷譜激勵(lì)的頻率范圍。圖6為載荷輸入曲線。

分別對(duì)機(jī)柜三個(gè)方向進(jìn)行正弦振動(dòng)掃頻分析，圖7～圖9為殼體在三個(gè)方向正弦振動(dòng)激勵(lì)作用下的加速度頻率響應(yīng)函數(shù)，可以看出，當(dāng)外部激勵(lì)為64 Hz和128 Hz時(shí)曲線出現(xiàn)了峰值，此時(shí)外部激勵(lì)與殼體的低階和高階固有頻率均產(chǎn)生共振現(xiàn)象，殼體頻率響應(yīng)函數(shù)激勵(lì)曲線出現(xiàn)明顯激增，殼體將出現(xiàn)較強(qiáng)的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖10～圖12為殼體在三個(gè)方向正弦激勵(lì)作用下，激勵(lì)分別為64 Hz和128 Hz作用時(shí)殼體等效應(yīng)力云圖，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示?？梢钥闯觯?dāng)正弦激勵(lì)為y向64 Hz時(shí)，殼體的等效應(yīng)力達(dá)到最大值，為95.524 MPa，但最大應(yīng)力仍在材料的許用范圍內(nèi)，因此，殼體在承受三個(gè)方向正弦振動(dòng)載荷作用下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是安全的。

耐振試驗(yàn)是在指定頻率段內(nèi)若無危險(xiǎn)頻率段，即固有頻率不在頻率1 Hz～160 Hz區(qū)間，對(duì)機(jī)柜施加160 Hz的加速度載荷，加速度載荷取值25 m／s2;若有危險(xiǎn)頻率段，則在危險(xiǎn)頻率上施加加速度載荷。由此可見，耐振試驗(yàn)中的振動(dòng)應(yīng)力等同于正弦掃頻的最大應(yīng)力，殼體最大振動(dòng)應(yīng)力為95.524 MPa，滿足材料的強(qiáng)度要求。

2.4 顛震分析

對(duì)機(jī)柜沿豎直方向受到顛震試驗(yàn)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行研究。激勵(lì)條件見表5，顛震波形為半正弦波。

沖擊激勵(lì)函數(shù)為

ag=70 000sin（196.35t），當(dāng)t≤0.016 s時(shí)

0，當(dāng)t>0.016 s時(shí)單位：mm／s2。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，激勵(lì)曲線和機(jī)柜底部響應(yīng)曲線見圖13（紅色實(shí)線為激勵(lì)曲線，藍(lán)色虛線為響應(yīng)曲線）。

系統(tǒng)激勵(lì)的加速度值約為7g，響應(yīng)為5.8g，第一個(gè)響應(yīng)波時(shí)長(zhǎng)為71 ms，響應(yīng)總長(zhǎng)約為440 ms。外部激勵(lì)為7 g／16 ms，30次／min，脈沖間隔為2 s。在ANSYS分析中不考慮機(jī)柜減震器結(jié)構(gòu)，所以直接施加5.8g沖擊載荷，其中脈沖時(shí)長(zhǎng)為70 ms。圖14為顛震載荷輸入曲線。

在ANSYS中通過模態(tài)疊加法的瞬態(tài)分析進(jìn)行顛震仿真，模態(tài)疊加法又稱“振型疊加法”，它是以系統(tǒng)無阻尼的振型（模態(tài)）為空間基底，通過坐標(biāo)變換，使原動(dòng)力方程解耦，求解n個(gè)相互獨(dú)立的方程獲得模態(tài)位移，進(jìn)而通過疊加各階模態(tài)的貢獻(xiàn)求得系統(tǒng)的響應(yīng)。

表6給出了殼體在顛震條件下的應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果。數(shù)據(jù)表明，殼體在承受豎直加速度載荷作用下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是安全的。圖15給出了機(jī)柜殼體在豎直方向加速度顛震載荷作用下的應(yīng)力響應(yīng)云圖。

2.5 沖擊分析

根據(jù)GJB150.16-1986，機(jī)柜采用垂向打錘試驗(yàn)，打錘輸入加速度量值為100g的半正弦波（半周期1 ms），機(jī)柜底部輸出響應(yīng)為30g（半周期2 ms）的逐漸衰減的類正弦波。

機(jī)柜通過6個(gè)接口安裝在減震器上，在跟隨船舶進(jìn)行各種航行姿態(tài)時(shí)會(huì)受到不同方向的沖擊作用。沖擊工況也采用模態(tài)疊加法的瞬態(tài)分析進(jìn)行分析，以機(jī)柜底部實(shí)測(cè)響應(yīng)作為輸入，在ANSYS中輸入隨時(shí)間變化的沖擊載荷，圖16為垂向沖擊輸入。

表7給出了殼體在沖擊試驗(yàn)下的應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果。數(shù)據(jù)表明，殼體最大應(yīng)力發(fā)生在承受垂向沖擊時(shí)，最大應(yīng)力為146.76 MPa，如圖17所示，殼體最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，各零部件在承受垂向沖擊是安全的。

3 結(jié)束語

本文基于有限元分析軟件ANSYS建立了船用電子機(jī)柜的有限元模型，根據(jù)相應(yīng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，確定了分析的邊界條件和載荷輸入條件，進(jìn)行了模態(tài)分析、正弦掃頻分析、顛震分析及沖擊響應(yīng)分析。其中，正弦掃頻分析并未考慮減震器的衰減作用，實(shí)際的安全系數(shù)應(yīng)該比文中的更高。顛震分析及沖擊響應(yīng)分析是以同類機(jī)柜實(shí)測(cè)的底部響應(yīng)作為輸入條件進(jìn)行分析的，該輸入條件考慮了減震器的衰減作用。計(jì)算結(jié)果表明，電子機(jī)柜在各種試驗(yàn)條件下工作具備較高的可靠性。本文的研究方法對(duì)其他船用設(shè)備力學(xué)分析具有較好的指導(dǎo)意義。

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（責(zé)任編輯：李楠）