基于ANSYS的钣金机柜的结构优化设计与动态分析

刘晓琳+沈顺强+南江红

摘要：本文分别从钣金机柜的总体布局及外购件选型两方面，探讨其结构的优化设计策略，并利用ANSYS对其开展优化分析，以此来提升其低阶固有频率，首先抗震性能的提升。

关键词：ANSYS；钣金机柜；结构设计

机柜可用于存放各种控制设备与计算机，使设备排列更加整齐有序，从而节省空间，此外，还便于设备的安装与后续维护。伴随我国冲压技术的不断发展，钣金机柜凭借其成本低、尺寸精度高、生产效率高、重量轻及便于自动化与机械化等优点，在多领域得到广泛应用。本文以ANSYS为基础，对钣金机柜的结构进行优化设计与分析。

1. 钣金机柜的结构设计的总体布局

依据用户所提出的具体要求，机柜需依据GB/T3047.2-97《高度时制为44.45mm的面板、机柜与机架的基本尺寸系列》的标准开展设计，此外，与之相配套的上架插箱，则需依据GB/T3047.4-1986《高度进制为44.45mm的插件、插箱的基本尺寸系列》的相关标准开展设计。在设计钣金机柜的结构时，机柜的正面需设置为开放式，而其正面立柱则需要依据上述标准，设置系列正方形孔，将其作为安装卡式浮动螺母，以此来更好的固定面板与插箱。为了便于安装与维护，机柜的正面需要设计成便于操作的开放式，可以安装的标准机箱。另外，经三节滚珠导轨，实现机柜与机箱的连接，以此达到便于维护的目的。针对机柜的后面与两侧而言，都要设计成可以拆卸的快锁门，而且运用螺钉将其固定，以此来达到减噪、防震的目的。在实际设计时，一些用户会要求从底部进线，为便于装调人员自机柜正面进行安装和调试，可以在机柜的底部位置事先预留适当空间，用于安装诸如信号电缆转接板等。对于机柜底部的进线孔而言，需设计有防鼠套，预防老鼠进柜，损坏电线。

（1）热设计。所谓电子设备的热设计，实际就是整机、组件及电子元件进行升温控制。至此，对通风结构进行合理化改进，对冷却空气的对流加以强化，可实现设备内部温度的显著降低。一般情况下，热空气要轻于冷空气，而对于机柜当中的空气而言，其多为从下往上的流向，所以，在机柜的后面及两侧位置，专门设置一些孔，将其当作进风口，然后与机柜上方，安装4个风机，将其当作排风口，以此推动机柜当中空气流动性的增强，形成自然化的对流通道，最终实现散热。（2）机柜的内部走线。因机柜中的抽箱可以经导轨而拉出的，因此，插箱上所布设的线缆，同样会随着插箱的移动而移动，若插箱被推到机柜当中，则其上面的线缆同样会进入机柜中。所以，怎样处理插箱上的电缆，使线缆可以随着插箱移动而移动，且在移动時避免里面的电缆出现相互缠绕的情况，要想实现此点，跟线架的设计便显得格外重要，在设计钣金机柜时，可将一个跟线板设置在两个插箱的中间，事先在跟线板上做好绑线孔，在走线架中，线缆自机柜两侧至插箱之间的跟线板上，线缆经跟线板，至插箱1/2深度尺寸处，然后将其固定，另外，依据实际需要，预留一定长度的活动线缆焊接插头，将其插到插箱后的插座上，各根线缆均有与之相匹配的插座。此时，将插箱抽出于机柜时，长度为1/2插箱深度尺寸的线缆，便于经机箱后方，折回至机柜当中。此种走线方式，可使线缆更为整齐。

2.外购件的选型

（1）选择合理的隔震器。在选择隔震器时，由于用处不同，因此在选择上会存在差异，比如船用机柜，通常安装于船舱的主体区，在寿命周期内，要求能够经受碰撞、冲击与振动等的考验。所以，针对此类机柜，通常选用隔振缓冲系统，以此来减缓力学环境对设备的不利影响，如此一来，除了有助于设备可靠性的提升，还能在某种程度上，延长设备的使用寿命。在设计机柜时，由于安装设备后，其重心基本重合于隔震器支撑平面的重心，因此，可运用4个有着相同垂直承载能力的GH系列钢丝绳隔震器。由于有着比较高的机柜，为使机柜稳定性增强，在机柜顶部，可安装2个隔震器，达到隔震缓冲的目的。（2）选择导轨。在选择机柜的导轨时，选用市场上常用的三节重型滚珠导轨便可。

3.运用ANSYS优化分析

3.1优化方法

优化变量包含有目标函数、状态变量与设计变量。设计变量也就是设计参数，在实际优化设计时，需首先确定设计参数。对于状态变量而言，就是约束条件；目标函数即评价函数，此乃对设计目标优劣进行评价的重要标志。在优化方法方面，主要有两种，即梯度寻优法与零阶法。针对零阶法而言，即直接发，此乃一种比较常见的函数逼进优化方法，不易陷进局部极值点，有着比较少的消耗机时，但有着不高的优化精度，所以，多将其用于粗优化。（2）针对梯度寻优法来讲，就是运用因变量的一阶偏导数。此种方法乃是基于上述方法的改进版。此方法对于有着较大设计空间及因变量变化较大时，比较适用，但有着比较多的机时消耗。所以，首先运用零阶方法进行适当的粗优化，将最优解的基本位置初步确定下来，然后运用一阶方法，开展精确优化，最终将更精确的解确定下来。需指出的是，在运用第二类梯度寻优开展优化过程中，除了可能会陷入局部最小点之外，还会消耗过长的时间，所以，通常建议运用0阶函数逼进来优化subp。

3.2优化结果

经优化，可得知一个14组的优化序列，而且还能知道SET3为最优解，此时的频率为=-1.3193，而对于1阶固有频率而言，即=40-=38.6806。经优化，得出固有频率相比于优化前，提升25%。因此，在基本框架保持不变的情况下，强化宽度，对1阶固有频率影响较大，只有经优化，才能找出最合适位置。

4.结语

综上，在优化设计钣金机柜的结构时，除了要合理布置机柜的内部之外，还需合理选择外购件，只有这样，才能使机柜结构达到最优化。相比于传统的设计方法，运用ANSYS软件开展结构模态分析，能够对设计参数进行优化，大幅缩短产品的设计与制造周期，还能有效规避食盐所致财力与时间方面的浪费。

参考文献：

[1]李晓润， 李瑞琴， 王明亚，等. 基于ANSYS的水压容器的结构优化设计[J]. 河北农机， 2015（11）：51-52.

[2]侯静， 张亚新， 韩维涛，等. 基于ANSYS的U型管换热器的结构优化设计[J]. 轻工机械， 2006， 24（1）：26-29.

[3]严亮. 基于ANSYS的配电器箱体结构优化设计[D]. 电子科技大学， 2012.

作者简介：刘晓琳（1989 10 16-）性别：女，民族：汉，籍贯：山东省聊城市，当前职称：助理工程师，学历：硕士，研究方向：机柜结构设计.endprint