基于ANSYS Workbench通信机柜的抗震分析

胡绍猫

（京信通信技术（广州）有限公司，广东广州 510660）

0 引言

地震是一种常见而又危害极大的自然现象，最近几年发生在中国的几次大地震，给人们的生命财产及安全都带来了巨大的灾难。通信工程作为生命线工程，它的破坏不仅仅危及人们的财产安全，还给震后的抢险救灾、人员搜救等工作带来巨大的困难。而作为通信工程中设备主要承载体的机柜，如何确保其在地震中有足够的抗震能力，以减轻灾害造成的社会损失就已成为工程界最为关心的问题。

目前，国内外对通信电子设备机柜地震的响应分析研究主要偏重理论计算和经验的建立，而用数值模拟来辅助机柜抗震分析设计的很少。鉴于此，本文按照地震试验的相关要求，结合大型有限元分析软件ANSYS Workbench，对通信电子设备机柜进行地震的数值模拟及深入分析研究，得出机柜结构在一定频率范围内地震振动下的响应，为通信机柜的抗震设计提供一定的参考价值。

1 抗震分析方法概述[1-2]

结构物抗震分析方法分为3类：静力法、时程分析法和振型反应谱法。静力法是日本大房森教授于1899年提出的，它将结构物视为一刚体，假设只有地面运动所引起的惯性力在起作用，把惯性力作为静力作用于结构物，进行抗震计算。但是，结构物在地震过程中是会发生变形的，静力法已远远不够适用。时程分析法是20世纪70年代提出的，该方法输入与结构物所在场地相应的地震波作为地震作用，由初始状态开始，一步一步地逐步积分，直至地震作用终了。但时程分析法地震波的选取没有确定依据，且计算工作量大，考虑的繁杂因素多，因此一般只在规定的建筑场合中使用。

而振型反应谱法是将结构物简化为多自由度体系，多自由度体系的地震反应可以按照振型分解为多个单自由度体系反应的组合，每个单自由度体系的最大反应可以从反应谱中求得，然后再按照一定的振型组合法则，求出结构的地震总反应。目前广泛应用的是振型反应谱法，主要用于确定结构对时间变化载荷，如地震、风载、火箭发动机振动等的动力响应情况。

利用有限元软件ANSYS Workbench进行机柜地震试验的数值模拟和抗震分析，主要包括以下几个步骤：（1）建立有限元模型，即建立模型的几何形状，定义材料性质、单元网格的划分和施加边界条件等；（2）进行模态求解；（3）振型反应谱分析及计算；（4）观察结果及分析。

2 通信机柜结构的抗震分析

2.1 有限元模型建立

目前，ANSYS Workbench支持两种有限元模型的建立，一种是利用ANSYS Workbench自带的几何建模模块根据设计图纸直接建立，另一种则是通过其他造型软件如Pro/E等建立几何模型，再利用ANSYS Workbench的导入接口导入已建立的模型文件来建立[3]。为提高建模效率，本文所研究的通信机柜，其有限元模型的建立采用第二种建模方式，即通过造型软件Pro/E所建立的机柜模型直接导入ANSYS Workbench而得到。此处需强调的是，因Pro/E所建立的模型较为复杂，在模型导入ANSYS Workbench前，需对模型做简化处理，否则会导致ANSYS Workbench处理时间太长或出错。简化主要有两个方面，一是删除机柜结构中对仿真结果无影响的一些结构细节，如导圆角等；二是对放置机柜内的繁杂刚性体，如电源和插箱等，用等效质量刚体替代。

本文所研究的通信机柜整体模型尺寸为600 mm×600 mm×2 170 mm，机柜材料主要有两种，为冷轧钢板Q235和不锈钢316，分别赋予相应的结构元件，其材料的参数见表1所示。网格划分采用智能网格划分，并设置相应的控制单元大小。机柜有限元结构网格划分如图1所示。

表1 通信机柜材料参数

图1 通信机柜网格划分图

2.2 模态分析

模态分析用于确定通信机柜设计结构的振动特性，即机柜结构的固有频率和振型，其分析结果是通信机柜承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，也是通信机柜抗震分析的起点。

由于模态分析属于动态分析中的固有特性分析，固有特性由固有频率、振型等一组模态参数构成，它由结构本身（质量与刚度分布）决定，而与外部载荷无关[4]。所以，在用ANSYS Work⁃bench对通信机柜进行模态分析时，只在机柜底部预留的螺钉固定处，创建4个安装点，并对其完全约束，不需施加任何载荷，依据经验提取前8阶自振频率和振型，得到机柜的自振频率如表2所示。

表2 自振频率列表

从上述模态分析的结果可以看出，本文所研究的通信机柜其自振频率较低，地震波低频段的响应对其影响较大。

2.3 振型反应谱分析

振型反应谱法对通信机柜结构进行抗震分析，对应于ANSYS Workbench下的响应谱分析技术。它是一种将模态分析结果与一个已知频谱联系起来计算模型应力的分析技术。

振型反应谱分析分为单点反应谱分析和多点反应谱分析。单点振型反应谱分析，是指在模型的一个点集上指定一个反应谱响应；多点振型反应谱分析，则是在模型的不同点集上指定不同的反应谱响应。根据通信机柜地震试验的要求，宜采用单点反应谱响应分析，即地震加速度谱施加在通信机柜4个螺钉固定安装处，作用方向为水平方向。

振型组合方法，选用抗震分析推荐的平方和开平方法（SRSS）对振型进行组合，求取结构体的最大综合反应。

地震频谱，则是通信机柜在振型反应谱法中需输入的另一个重要参数，在本例中，地震频谱曲线选自《Network Equipment-Building System(NEBS)Requirements:Physical Protection》地震试验条件中，地震烈度最为强烈的区域4的地震频谱，其频谱数据如表3所示[5]。

表3 地震频谱表

2.4 结果分析

图2 通信机柜等效应力图

通过以上仿真计算，求得通信机柜在地震强度下的等效应力（如图2所示）和水平方向变形图（如图3所示）。从仿真结果来看，应力最大值为53.4 MPa，发生在通信机柜底座安装处，其材料为Q235，屈服极限σs为235 MPa，安全因子n为1.67，根据σ≤σs/n=235/1.67=140.7 MPa，可知该通信机柜强度满足抗震的强度要求。从机柜水平方向变形图可知，机柜变形最大值出现在机柜安装插箱处，其值为15.5 mm，少于《Network Equipment-Building System(NEBS)Requirements:Physical Protection》地震实验要求中最大变形值的70 mm，可知该机柜满足地震试验的变形要求。

综合以上分析，仿真结果表明该通信机柜满足地震试验的抗震要求。

图3 通信机柜水平方向变形图

3 结论

本文根据地震反应谱理论和地震试验的相关要求，并结合大型有限元分析软件ANSYS Work⁃bench，对通信电子设备机柜进行地震的数值模拟及深入分析研究，从而得出机柜结构在一定频率范围内地震振动下的响应，为通信机柜的抗震设计提供了行之有效的方法，对通信机柜的安全性设计具有一定的参考价值。

［1］GB50011-2010.建筑抗震设计规范［S］.

［2］孙佳，许京荆，翁健.基于ANSYS Workbench高压电阻箱式结构的抗震分析［J］.机械设计，2012（2）：72-74.

［3］李兵，何正嘉，陈雪峰.ANSYS Workbench设计、仿真与优化［M］.北京：清华大学出版社，2008.

［4］杜平安，甘娥忠，于亚婷.有限元法-原理、建模及应用［M］.北京：国防工业出版社，2006.

［5］ NEBS GR-63-CORE， Network Equipment-Building System （NEBS） Requirements： Physical Protection［S］.