某型舰载密闭机柜动力学仿真分析

王帅

（中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西 西安，710068）

0 引言

密闭机柜近些年来发展迅速，国内主流雷达厂的舰载雷达都已经开始使用。密闭机柜主要是将机柜设计成密封结构，与外界环境隔离。机柜内的热量通过使用不同形式的换热设备来进行热量管理，如气液交换器冷却、集中供风冷却、水路冷却等。其核心是机柜内部环境和外部环境基本不交换，从而避免舱内空气中的盐雾、尘埃、霉菌和潮气等有害物质入侵到机柜内部，对电子元器件造成危害[1-3]。本文设计了一种气液交换器内置型密闭机柜，通过ANSYS软件对其在舰载环境下的力学性能进行分析，对机柜结构的设计和实验室试验具有一定的指导意义。

密闭机柜外形符合GJB2825-1997《军用雷达机柜、插箱、插件模块化要求》的相关要求：高×宽×深=1600mm×668mm×550mm。机柜框架采用整体铸造，水冷组合安装在机柜内部下方。机柜与舰船的水路连接采用快锁水接头，图1为设计机柜的整体布局示意图。

图1 密闭机柜布局示意图

表1 振动应力分析材料对应表

图2 简化后的机柜有限元模型

1 模态分析

1.1 材料参数及网格划分

模态分析的作用是确定产品的固有频率和振型，是进行其他动力学分析的基础和依据[4]。首先用UG进行有限元模型的建立和简化，去掉螺钉、螺纹孔、凸台、圆角等一些细小的特征，用于提高运算的可靠性和运算速度。然后将其导入ANSYS Workbench，确定材料参数如表1所示。

网格划分采用了扫掠、单元大小控制及多区域划分法分别对机柜框架、组合、底部减震器进行单独划分，以保证网格质量能够满足要求。生成整个机柜的有限元模型如图2所示。连接约束处理：内部组件固定螺钉连接面与箱体施加粘接约束。

1.2 各阶固有频率及振型

模态分析得到机柜的前六阶固有频率和振型如图3所示。前六阶固有频率分别为：57.1HZ，69.8HZ，131.9HZ,151.9HZ,170.5HZ, 177.5HZ。其中前两阶振型为机柜整体在YZ平面和XY平面的扭转振动，变形为3mm左右；第三、第四、第六阶振型分别表现为机柜背部减震器安装板，机柜框架面板的局部模态，出现较大的变形，约为30-50mm，这是由于这些板跨度较大而刚度不足；第五阶振型为机柜整体在XZ平面的扭转振动，变形较小。图上显示第三、第四、第六阶固有频率均超过了100Hz，按照GJB150.16A-2009《军用装备实验室环境试验方法》舰船随机振动环境，在实际工况下是不会发生的，因此满足振动要求。

2 冲击分析

2.1 冲击载荷施加

在实战中由于电子设备载体舰载密闭机柜经常处于敌我双方导弹、炮弹互相发射及舰艇破浪高速前进等强冲击作用下工作，使得机柜抗强冲击性能成为一项重要的设计指标[5]。按照GJB1060《舰船环境条件要求机械环境》乙类安装设备垂向刚性连接施加冲击谱（42g-5.5ms），而在冲击过程中最大应力可能出现在冲击结束之后，因此垂向冲击时，总的计算时间为8ms，谱线如图4所示。

2.2 冲击应力及变形

图4 冲击加速度谱线

图3 密闭机柜前六阶模态图

计算结果显示，在整个冲击过程中，顶端第一个组合与机柜相连定位销的冲击应力最大，为181.44MPa，出现最大应力的时间为3.4375ms。而组合上的挂耳螺钉冲击应力最大为135.47MPa。最大冲击应力均小于20钢的屈服极限σ0.2=245MPa。其应力云图如图5所示。

图6（a）（b）为机柜内部水冷机箱和组合的冲击应力云图，最大应力分别为31.6MPa和58.2MPa。组合框架材料5A06的屈服极限σ0.2为115MPa。对机柜在冲击过程中的变形进行研究，机柜及其内部各组合的变形云图如图7所示，最大处的变形分别为0.4 mm和0.29mm，结构的相对变形很小。根据上述结果，可以看出密闭机柜在振动与冲击试验情况下能满足要求。

图5 定位销与挂耳螺钉的冲击应力云图

图6 水冷机箱和组合的冲击应力云图

图7 机柜及内部组合的变形云图

3 结论

本文通过Ansys有限元分析软件，通过模拟试验条件和加载方式对某型舰载密闭机柜进行了模态分析与抗冲击性能分析。得到了各阶固有频率和振型，结果显示，变形较大的固有频率大于实际工况频率，满足振动要求。施加42g冲击加速度后，在3.4375ms时顶端第一个组合与机柜框架连接处的定位销与挂耳螺钉处应力较大，分别为181.44MPa和135.47MPa，但均未超过其材料的屈服极限。内部组合和水冷机箱的应力和变形均较小，结构设计符合冲击要求。