电子机柜结构设计的方案优化

张爱华

摘 要：电子机柜是电子设备发挥功能的基础保障，其性能影响着电子设备能否正常有效的发挥自身作用。文章在分析现在电子机柜的设计方法的基础上，利用灵敏度分析和ANSYS软件对电子机柜的结构设计进行了一定的优化。

关键词：电子机柜；结构设计；灵敏度分析；ANSYS软件；方案优化

引言

现在社会的发展越来越依赖于电子技术，对电子系统的集成化要求也越来越高。因此，为了满足现代社会对电子系统的高度集成化的需求，柜式结构开始广泛的在电子设备的结构设计中出现，我们称这种电子系统集成的柜式结构为电子机柜，其中，常见的电子机柜主要有控制柜、高压开关柜、低压开关柜、配电箱、电池柜（UPS）、配线架、理线器以及机柜锁等。电子机柜是电子元器件的载体，电子机柜结构的机械性能会对电信号的传输以及电子系统的可靠性产生直接的影响。在现在电子机柜的结构设计过程中，新型的高阻尼、高强度材料被广泛使用，学者也开始致力于研究机柜结构的组装技术和方法。与此同时，在结构的方案设计阶段普遍应用现代设计方法对机柜结构进行机械动态设计和优化。从二十世纪八十年代中期以来，我国电子设备的研制在经历了引进、仿制和消化阶段之后，也纷纷采用高科技设计手段。许多科研院所和机构单位开始改善传统结构设计的方法，近期，现代设计方法在机柜结构设计领域的应用也取得了不少的成果。

电子机柜是电子设备发挥功能的基础保障，在电子机柜设计过程中，虽然已经考虑了结构件及相互连接的强度要求，但是由于在车辆、船舰等运载工具中，在振动和冲击等动态机械力的作用下，也会很容易导致电子机柜发生较大的变形以及对振动冲击的放大，进而对由机柜支撑的电子元器件及电路的工作稳定性和可靠性产生严重影响。

1 现代设计方法在机柜结构设计中的应用

现代设计中的一个重要分支是现代动态设计方法，它是一门迅速发展中的新兴技术，该方法涉及了动态分析理论、计算机技术、产品设计理论、系统科学方法和体系。这种方法最大的优点是在设计的阶段就可以确定机械结构的静、动态性能，进而就可以主动地控制结构的静态特性和动态特性。确定系统输入、系统输出、系统特性三者之间的关系是现代动态设计的一个最主要任务，其设计过程主要有以下几个步骤：首先对结构的动力学模型进行构建，然后开始分析结构的静态特性和动态特性，最后，根据结构的动态特性要求，修改结构，直至满足设计要求。

应用现代设计方法对机柜进行优化设计普遍所采用的手段就是应用大型有限元分析软件，通过构建机柜的有限元模型，对机柜的动态特征和静态特征进行分析，从而实现电子机柜的优化设计。其中，有限单元法（FEM，Finite Element Method）是在力学模型上近似的数值方法，将被分析的结构直接离散化，使用最小位能原理或虚位移原理等力学基本理论求解。

不可忽视的是，电子机柜因恶劣的机械环境而发生运行故障的情况是很难避免的，这就要求我们在设计过程中对其结构的原始设计方案进行一定的修改，以电子机柜的结构能适应将来面临的恶劣的机械环境。如果结构修改发生在方案设计阶段，则对改善和提离结构的动态特性可收到事半功倍的效果。随着条件的改善，不少机柜结构已纷纷采用了模态分析来反应机柜的动态特性，为机柜的结构修改提供依据。

现在设计中，多数的设计者选择对电子机柜的结构动态特性影响最灵敏的变量作为调整的主参数对其结构性能进行优化，这会较大程度地改善其动态特性，有较为重要的实践意义。在交互式计算机辅助设计中，结构设计工程师可以直接利用灵敏度的信息来改进结构的设计。机构模态的灵敏度分析主要包括系统特征值的灵敏度分析和特征向量的灵敏度分析。文章通过利用灵敏度分析找出需要调整的参数，使用ANSYS软件进行模拟优化。

2 电子机柜结构设计的方案优化

本部分利用灵敏度分析的方法确定电子机柜结构设计的方案灵敏度较高的参数。按照灵敏度分析结果，并针对具体情况，找出改进电子机柜动态性能的参数，可以得到以下具有指导意义的结论：（1）如果以结构低阶频率的提高作为目标函数，那么应以该阶振型的具有较大幅值差的两自由度之间的连接刚度作为设计变量；（2）以结构振型的幅值作为目标函数，应以该阶振型的腹点处的质量分布为设计变量。

基于以上两点结论，文章通过使用ANSYS软件对电子机柜进行构建模型，由模态分析可以发现机柜的低阶固有频率，主要是因为机柜的侧板的扭转和弯曲造成的，无加强筋侧板的低阶振型在板中部的位置的幅值差最大。由上面的结论可知，要想有效的改善机柜整体的动态性能，可以通过提高侧板薄弱环节的刚度来实现，而采用加强筋则是一种提高侧板刚度的简单有效的方法。基于以上分析，模型在板的中间部分布置了加强筋，于是，电子机柜侧板的刚度得到了明显的加强；同样的道理，按照以上的分析结论，并进一步分析电子机柜的模态，可以发现如果将一样多的材料细分为两根较小的加强筋布置在侧板两侧的位置，可以更为有效的使得结构刚度进一步提高。通过添加加强筋，同样可以大幅度地提高电子机柜的固有频率，实现预期设计的最终目的；而如果适当的改变加强筋的分布，会得到更为理想的效果。通过ANSYS软件的分析可以发现，这时的幅值同时有了较为明显的下降。

3 结束语

文章通过应用灵敏度分析理论，对以频率和振型为目标、以结构质量和刚度分布为变量的优化设计方法进行了较为系统地分析，并得到了几个较为有用的实践结论，并在此基础上运用所得到的结论对电子机柜的极为重要的部件——侧板进行了动态修改。与传统的设计方法相比，利用ANSYS软件对结构模态进行分析，可以实现设计参数的优化，大大缩短产品的设计和制造周期，进而避免由于试验而造成的时间和财力上的浪费。

参考文献

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