基于有限元分析的机箱结构设计与改进

魏自银

（中电科思仪科技（安徽）有限公司，安徽 蚌埠 233000）

1 引言

当今机箱设备在实际工业应用中的范围很广，且大多数采取钣金作为主体结构。使用钣金结构设计主要考虑以下几点：一是加工成型性好，灵活度高；二是可作为设备的承重件，具备一定的刚度，可承受一定的作用力（包括在运动或转移过程中所受的力）；三是其具有合理的成本及较短的加工周期，因此得到设计人员的青睐。钣金结构在实际设计过程中，需要结合材料学、力学、机械工程学、工业设计等多学科进行综合设计，方能满足功能性要求。本文根据某机箱搭载模块及联调要求，设计一种钣金机箱结构，并通过有限元分析方法，指导后续设计。

2 机箱整体结构设计

2.1 机箱结构设计

根据仪器的功能及使用要求，机箱整体结构由机头组件、底板、承载组件、支撑板，左右连接板，围板A、围板B组件及底脚等构成；其中机头因造型需求设计为压铸铝成型，机头组件重量约3kg，其余结构件均为钣金成型；8组测试模块均为相同且独立的1U标准高度箱体，重量约9.8 kg。整体结构见图1，承载组件由7组折弯件与1组平板（带翻边折弯）连接制成，承载组件装入后，折弯件左右对称结构形式便于测试模块的装入；底板与围板A、B为U型折弯件，支撑板为四周翻边带法兰型钣金件，中间开槽便于8组测试模块接线。装配时需要先将承载组件固定至底板上，前端再通过支撑板将两者连接成主体。

承载结构主要包含底板、支撑板、承载组件及围板A、围板B；钣金机箱常用的两种材料为铝合金板与Q235钢板，其材料属性分别如表1所示。

图1 整机结构设计与组成示意

表1 两种材料特性列表

2.2 机箱承载结构的受力分析

为降低整机重量，且保证该承载结构能够拥有较高的强度和刚度，需要对承载结构进行受力分析，并确定支撑板、底板及承载组件的材质。测试仪使用过程中处于静止状态，本文仅进行静力学分析。静力学主要用于分析固定载荷作用下的结构响应，不考虑系统的惯性及阻尼，其中线性静力学是静力学中最基础的一类学科。

根据线性静力学的定义可知，系统速度与加速度为0，载荷恒定，所以其物理方程可表示为下式[4]：

其中K为系统刚度矩阵，X分别表示位移，F为外力。

在线性静力分析中必须满足以下三个假设条件：（1）小变形，系统发生的变形相对于系统整体尺寸非常小，变形并不显著影响整个系统的刚度；（2）线性材料，线性静力学问题考虑的是材料在弹性变形阶段的行为，即满足应力与应变呈正比关系；（3）固定载荷，线性静力学问题中假设载荷和约束并不随时间发生变化，载荷的加载过程是一个非常均匀缓慢的过程。

本设计中连接后的主体是核心承载结构，根据机箱结构可知主体两侧需承受测试模块的重力作用，前部还受到机头组件部分的重力作用。由于承载结构较复杂，尤其变形量的大小会影响整体刚度强弱和最终可行性，难以采用理论计算的方式进行求解，后文将采用有限元仿真计算。

3 仿真分析与结果

3.1 结构模型的建立

为简化计算量，首先将在Creo5.0中建立的整机模型进行简化，删减测试模块、机头组件、散热孔、螺钉等细节部分，只保留受力主体结构，另存为Parasolid（.*x_t）格式，导入到有限元软件中，如图2所示。

3.2 材料属性设置与网格划分

将所有构件赋予铝材，并进行网格划分，得到网格模型如图2所示。

图2 承载结构简化模型与网格划分

3.3 承载结构主体受力添加

为了保证足够的安全系数，在竖直方向对每块承载折弯件上表面施加100N的压力，将支撑板的翻边内壁面施加30N的偏载压力；再考虑重力作用，最后将底脚平面设置为固定约束。见图3。

图3 承载结构主体受力示意图

图4 全铝框架下总体变形云图

3.4 有限元分析结果

根据上述边界条件及载荷，通过计算得出全铝材料承载组件总体变形云图，如图4所示。可见全铝结构会导致底板中心变形量达将近0.9mm，该数值相对于结构尺寸而言不能忽略，机箱刚度较差，需对此薄弱区域进行改进。

4 仿真优化及结构改进

将底板及承载组件变更为Q235钢材质，适当减小材料厚度，其余零件仍为铝合金，划分网格后，重新进行仿真计算结果如图5。

图5 优化后承载结构总体变形云图

由图5可见，变形量已经有了较大的改善，测试模块满载情况下最大变形为0.29mm，承重结构的刚度已显著提高。后续设计时可考虑通过增加横梁进一步提高机箱的刚度；另外钢板材料的选择在一定程度上增加了整机的重量，后期将考虑增开散热孔等减料的方式优化结构。

5 结语

本文提供了基于有限元仿真的机箱承载结构设计案例。依托结构设计模型的建立，对不同材料下的承载结构进行有限元仿真与分析，发现薄弱之处，是以往设计经验无法比拟的。仿真数据对结构优化研究具备较高的实际指导意义，为设计的可靠性及可行性提供理论依据。