基于有限元法的车载机柜动态特性仿真分析

　　由于车载机柜的应用环境比较恶劣,在机柜的结构设计上应尽量避免或减小由于高低温、振动冲击、电磁干扰等不利因素对电气性能造成的影响。

　　在机柜的使用过程中,通常要经受来自各方面的振动和冲击,当振动量超出容许的范围后,将会影响机柜结构的工作性能,使机柜的部件产生附加的动载荷,从而缩短使用寿命,并严重影响机柜中电子设备的正常工作。

　　20世纪70年代以来,由于电子计算机技术的发展,振动理论分析得到迅速的发展和完善。特别是近年来用于提高计算精度和计算效率的动力有限元分 析理论、模态分析理论和振动计算方法(如有限元计算方法)的发展,为振动系统的模态分析和参数识别技术、结构动力修改技术等的发展提供了有力的支持 [1]。所以使用ANSYS有限元分析软件有助于提高产品的可靠性,并由此缩短产品的开发时间,减低成本。

　　1 机柜结构特点和材料的力学性能

　　1. 1 机柜的结构特点

　　该机柜主要由机柜骨架、门板、电子设备抽屉等组成。机柜骨架由钢板焊接而成,门板与骨架通过螺栓连接,电子设备抽屉通过导轨与机柜骨架相接。

　　1. 2 机柜材料的力学性能

　　机柜结构主要部位均采用材料Q235钢,材料的力学性能如表1所示。取安全系数为1.5,材料的屈服强度为345MPa,所以材料的许用应力为230MPa。

　　机柜的实体模型如图1所示。图中Z向代表垂向,X向代表横向,Y向代表纵向。

　　2 机柜有限元模型

　　在分析了机柜的结构特点和材料的力学性能的基础上,采用有限元软件ANSYS建立了机柜的有限元模型。

　　机柜结构部件基本是薄壁的板梁构件,各构件在厚度方向上的尺寸远小于在长度和宽度方向上的尺寸,所以采用壳单元SHELL63构建,在建立实体 模型时,一般以板结构的中性层选取模型尺寸,通过实常数定义不同板壳的厚度;燕尾槽型铝型材采用实体单元SOLID45构建;隔振器采用弹簧-阻尼单元 COMBIN14构建;抽屉里的电子设备质量通过改变抽屉下盖板的密度实现。

　　对于各部件间的螺栓连接,本文以相关节点的耦合进行模拟。耦合是有限元中建立节点自由度之间的特殊关系的技术。利用这些技术能进行单元做不到的 自由度连接。耦合技术迫使两个或多个自由度取得相同但未知的值,耦合自由度集包含一个主自由度和一个或多个其它自由度[2]。模型中共有18 923个节点, 21 240个单元,其中壳单元16 203个,实体单元4 695个,弹簧-阻尼单元360个。机柜的有限元模型如图2所示。

　　3 模态分析