抱杆安装的通信设备动力特性分析

汲书强，孙国良，周金荣，黄维学

（保定泰尔通信设备抗震研究所，河北 保定 071051）

0 引 言

通信应用越来越广泛，已经遍布人们的生产和生活，成为名副其实的生命线工程[1]。通信工程在地震中，不但要避免人员伤亡，做到通信建筑大震不倒，更要做到通信设备大震中不丧失基本通信功能，避免产生较大的经济损失，保证地震时抗震救灾和抗震抢险工作的顺利开展。

地震波为一种复杂的随机波，具有不可重复特性。根据国内外大量实震记录得出的统计规律表明地震波的卓越频率在1～35 Hz以内[2]。由于通信设备自身的结构特点，其前一两阶固有频率多在地震波的卓越频率范围内。在震害发生时，如果设备的固有频率与地震波的卓越频率接近，就会产生共振。因此，通信设备的动力特性某些程度上反映了其抗震性能的好坏。设备的动力特性是指结构的固有频率、阻尼比和振型等参数，是设备的固有特性，是进行设备抗震等动态载荷分析的必要基础。结构的动力特性可以为在动态载荷中避免设备有过大的振动，评估载荷的放大作用提供参考，以便对结构进行动力学修改，适应地震等振动环境的要求。

通信设备种类越来越多，使用环境和安装方式多种多样，根据实际工程需要，现在有机房内对地连接、挂墙安装、室外塔顶、抱杆等安装方式[3]。3G网络大量使用分布式基站架构[4]，分布式基站RRU（radio remote unit）室外安装主要采用抱杆连接方式，但对其动力特性研究甚少。该文使用有限元分析和试验分析相结合的方法，对抱杆式安装的设备动力特性影响因素进行了分析。

1 试验对象

该文选取的研究对象从结构组成上来说，分为抱杆、要安装的设备、连接抱杆和设备的抱杆安装件3个部分。

选取的某型号设备整机外形尺寸为680mm（高）×355.8mm（宽）×480mm（深），质量为 53kg。整机机箱由2个机箱组成，每个机箱主体材料为1.0mm的热镀锌板，右侧4根横梁采用1.5 mm的热镀锌板，顶罩和后罩均采用1.0mm厚的防锈铝板。机箱主要通过铆接成型，零件间有部分焊接点，两机箱间通过螺钉联结固定在一起，设备采用抱杆正面连接安装。试验中模拟抱杆是高度2000mm，直径80mm，壁厚5 mm的钢管，抱杆底板是500 mm（长）×500 mm（宽），壁厚10mm的钢板，抱杆总质量为38kg，连接工艺为焊接。

此次试验中抱杆安装件（如图1）尺寸为610 mm（高）×285mm（宽）×403mm（底部安装横梁长）。抱杆安装件是由固定板、加强梁、横梁和2个L型支架组成，固定板、加强梁、横梁均为2.0 mm厚的热镀锌板，L型支架为3.0mm厚冷轧板，L型支架折边处焊接，并有加强板螺钉连接。设备通过抱杆安装件与抱杆连接。

图1 抱杆安装件示意图

图2 通信工程中常用的抱杆安装方式

通信工程建设中常采用的抱杆有配重式抱杆、铁塔抱杆、附墙式抱杆、铁塔平台延伸抱杆等多种方式[5]，如图2所示。该文把工程实际中抱杆作了一个统一和简化，设定抱杆底部与地面直接相连接，设备底面与地面的安装距离为1 000 mm，以研究和分析抱杆与设备组成的系统之间的联系和影响。

2 有限元分析

根据模态分析得到的固有频率及相应的振型，判断结构在地震作用下是否会发生共振。如果设备某阶振型的固有频率与地震波的卓越频率接近，那么设备在该频率下就可能发生相应振型的强烈共振，从而导致设备功能中断，发生损坏。

2.1 模态分析理论

由弹性力学有限元法可知，抱杆式安装的通信设备运动方程可以写成

式中：[M]，[C]，[K]——质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；

{F（t）}——结构激励向量，{F（t）}={f1，f2，…，fn}。若去掉激励，忽略阻尼，则得到典型的结构自由振动的运动方程为

令{X}={φ}sin（ωt+φ），则有

将式（3）代入式（2），可得结构振动的特征方程

模态分析就是计算该特征方程的特征值及其对应的特征向量{Φi}。对此广义特征值问题，ANSYS11.0软件提供了7种求解方法，该文采用Subspace法求解该特征方程[6]。

2.2 模型建立

文中采用SolidWorks 2007建立设备的实体模型，在ANSYS中导入进行动力特性分析。电信设备内部插接件构成复杂，建模时，忽略了机箱、抱杆和安装架中一些倒角和工艺小孔等特征，对插接的电路板和一些电子元器件则进行了相同的质量采用平均分布的方法进行模拟，从而使得建立的设备模型作了一定程度的简化，有利于有限元分析时模型的网格划分，提高计算效率，而又不影响设备的结构特性[7-8]。分析时，模拟电信工程中的实际安装方式，抱杆底部固定。

安装完整的实体模型共含有88个实体模块，分析节点193545个，划分网格共计99035个。计算所得简化模型总质量约为98.72kg，其中抱杆约38kg，分布式基站质量约为53kg。与前述介绍的实际设备比较可知，该实体简化模型在各种情况下的质量参数与设备实际质量基本一致。在有限元模态分析中，主要选用的是Solid45号单元，网格划分采用自由网格划分，连接方式按照工程实际进行模拟。分布式基站抱杆安装建立的模型如图3所示。

图3 设备有限元分析中建立的模型

2.3 动力响应影响参数分析

前5阶计算模态固有频率结果见表1。

实体简化模型的一阶固有频率为6.885 Hz，振型为X方向一阶弯曲，振型如图4所示。

实体简化模型的二阶固有频率为7.156 9 Hz，振型为Z方向一阶弯曲，振型如图5所示。

图4 模型一阶振型

表1 前5阶计算模态固有频率

图5 模型二阶模型

图6 设备试验时的安装图

3 试验研究

3.1 试验设备及方法

在有限元分析基础上，依据YD5083-2005《电信设备抗地震性能检测规范》对该设备进行了大型液压振动台试验研究。液压振动台工作频率范围是1～35Hz，最大载荷2t，最大加载加速度为2g。把设备按照工程连接方式安装在抱杆上，抱杆底部用4个M12螺栓直接与台面连接至振动台上，如图6所示。

此次试验的动力特性测试所采用方法为白噪声激振法，输入的频率范围为0.5～35Hz。考虑到输入加速度幅值对通信设备在动力特性测试过程中不应受到损害，取其加速度值为0.1 g，激振持续时间为120s。1个加速度传感器布置在振动台台面上，另外3个加速度传感器均匀分布在设备的主框架上，共计布置了4个测点。试验中选用了美国ENDEVCO公司的变电容式加速度传感器，量程为±10 g，测量频率范围为 0～500Hz。

3.2 试验结果

图7为被测设备X方向一阶弯曲的固有频率曲线，图8为Z方向一阶弯曲的固有频率曲线，分别是 5.468Hz和 6.249Hz。

4 结束语

通信设备的抗震性能取决于设备本机的抗震性能和安装系统两方面。通信设备的固有频率大都为1～10 Hz，与地震波的卓越频率非常接近，容易在地震中产生共振，必须在设计中提高其固有频率，减少地震的影响。

从总体上说，设备与安装的抱杆的相互作用对自身的动力特性影响较大。自身频率高的抱杆，可以有效提升整个系统的动力特性，但抱杆的安装件的刚度直接决定了设备的动力反馈作用。采用抱杆安装方式的通信设备的固有频率取决于抱杆、安装设备的质量和安装高度3个方面。实际工程中采用的抱杆对系统的固有频率影响最大，抱杆可以较大程度地提升整个系统的固有频率。设备在抱杆上的安装高度对整个系统的动力特性影响也较大，通过比较分析，建议在工程实际中采用刚度较高的抱杆，质量大的设备尽量安装在抱杆的下段，以改善系统的动力特性，增强系统抗震性能。

从模态分析和试验分析得到的结果可以看出，文中采取的方法得出的频率误差都在允许的误差范围内，表明简化的有限元模型和对原型设备采用的试验方法都能够较准确地反映出设备的振动特性。在此基础上可以进行设备的改进设计，进一步提高设备的抗震性能。

[1] 汲书强，周金荣.通信工程建设的抗震设防[J].当代通信，2006，13（6）：69-70.

[2]YD5083—2005电信设备抗地震性能检测规范[S].北京：北京邮电大学出版社，2006.

[3]YD5059—2005电信设备安装抗震设计规范[S].北京：北京邮电大学出版社，2006.

[4] 张范明，黎建波.分布式基站：3G建设中大显身手[J].山东通信技术，2009，29（1）：46-47.

[5] 中国电子报.全新GSM建网体验[EB/OL].[2010-09-15].http：∥news.ccidnet.com/art/1032/20071024/1252141_1.html.

[6] 秦宇.ANSYS11.0基础与实例教程[M].北京：化学工业出版社，2009.

[7] 李长春.SolidWorks2007基础教程[M].北京：北京大学出版社，2009.

[8] 詹迪维.SolidWorks快速入门教程（2007）[M].北京：机械工业出版社，2008.