机架式服务器缓冲与隔振包装设计

■ 文/戚德彬，董建华，张小伟

（1.讯牧信息科技（上海）有限公司；2.英业达科技有限公司）

随着信息化社会的快速发展，以及近年来5G、大数据、人工智能、云计算等行业蓬勃发展，服务器的需求量日益增长。其中19 in（1 in=2.54 cm）工业标准的机架式服务器，因其空间占用少，可拓展性强，适合大规模密集部署等优点，广泛被企业采用。运输和装卸过程中的振动和冲击是造成机架式服务器结构或功能失效的重要因素[1-2]。机架式服务器缓冲包装的缓冲性能不足导致货损将对企业造成巨大损失；未考虑到隔振性能的缓冲包装将增大机架式服务器交付后的可靠性风险[3]。故而科学的、合理的机架式服务器缓冲和隔振包装设计就显得尤为重要。

1 机架式服务器的组成

机架式服务器是配置更高的计算机，一台机架式服务器通常由机箱、主板、中央处理器及其散热器、内存、硬盘、风扇模组、电源模组及PCIe扩展卡组成。机箱材质为热浸锌钢板(SGCC)，挂耳材质通常为工程塑料(ABS)，主板材质通常为玻纤布基覆铜板(FR4)[4～5]。机架式服务器的机箱可以看成一个薄壁形的矩形容器，前部两侧为挂耳，挂耳位置一般有电源键和一些传感器；机箱前部有格栅式结构，用于放置硬盘；主板用螺丝锁固在机箱底面上；风扇模组一般放置在主板正前方；中央处理器及其散热器用螺丝固定在主板上；内存被固定在主板的内存插槽上；电源模组通常被安置在机箱尾部的一侧，呈水平放置或者垂直层叠放置；PCIe扩展卡一般被锁固在机箱尾部的主板或者主板的转接卡上；机箱尾部的突出部分有PCIe支架、电源模组的把手和拨片，网卡及显示器的接口等。

机架式服务器的厚度尺寸用“U”来定义，U是Unit的缩略语，1U等于44.45 mm，2U等于88.9 mm，该尺寸是美国电子工业协会（EIA）规定的，是行业通用标准。以典型的2U机架式服务器为例，其长度不固定，一般为700～900 mm，宽度(加上两边挂耳)为482 mm，厚度为88.9 mm。其质量因客户对硬盘、PCIe扩展卡等配置需求改变而改变，通常情况下2U机架式服务器质量为20～28 kg。

某典型的机架式服务器内部布局见图1。

图1 典型2U机架式服务器结构

从冲击和振动的角度来看，机架式服务器结构典型的薄弱位置一般有三类，具体见表1。

表1 部分结构冲击测试条件

表1 长边垂悬对抗压强度影响

2 机架式服务器的结构特性

2.1 结构仿真分析与结构冲击测试

机架式服务器在设计阶段会进行结构仿真，考察机架式服务器结构在冲击和振动下的强度，并提出改善建议。根据模态仿真计算的结果，机架式服务器的前几阶模态频率分布在35～55 Hz，各模态频率下的模态振型为上盖和机箱底座上的上下振动。主板的一阶模态频率一般大于70 Hz，一阶模态振型为上下振动。

在样机测试阶段，测试人员用冲击试验机对机架式服务器裸机进行冲击测试，验证结构（包括机壳、部件、连接器和焊点）的冲击强度[4]，用振动试验机对机架式服务器裸机进行随机振动测试，验证主板及关键部件的耐振和功能完整性。结构冲击测试标准是参考IEC 60068-2-27来制定的，测试时将裸机固定在冲击试验机上，裸机底部参考缓冲材料的支撑位置放置支撑块。测试装置如图2所示。

图2 结构冲击测试装置

摘取了部分结构测试条件如表2所示。测试人员对机架式服务器按照下表中的测试条件进行测试，若测试出结构问题则反馈给结构设计人员进行结构改进，直至测试全部完成且测试通过为止。

2.2 缓冲与隔振包装设计依据

对机架式服务器按照ASTM D3222进行产品破损边界曲线的测试无疑是复杂的且花费巨大，不同型号的产品之间因为结构及材料的差异产生不同的破损边界曲线，就算是相同型号的产品，6个冲击方向也产生6条不同的破损边界曲线[6-8]。如果严格按照这种方法进行设计，不同型号服务器产品缓冲衬垫的尺寸大部分不相同，导致纸箱尺寸不同，甚至栈板尺寸也不同，造成包装物料无法通用。且破损边界曲线的测试是在样机测试阶段，往往项目节点也不允许包装设计介入时间太晚。

因此，需要找到一种简单且统一的机架式服务器结构强度标准，以利于包装设计参考，在这个标准下既不产生明显的过包装，又能使得大部分的包装物料得以通用，这是机架式服务器包装设计的现实需求。

从前面的结构测试标准中可以得到机架式服务器结构强度信息，即测试条件是落在破损边界曲线[6-7]安全区中的三个点，以40 g作水平线作为临界加速度线，以1.76 m/s作垂直线作为临界速度变化量线（见图3）。需要注意的是，以此形成的“破损边界曲线”并不能反应产品的真实强度，但是工程上作为缓冲设计依据是足够的。

图3 假设的破损边界曲线

结构仿真分析的结果给隔振包装设计的参考性在于，缓冲材料的设计需要尽量避开产品本身的前几阶模态频率，即产品+包装组成的包装系统，其振动放大区域的频率范围尽量低于35 Hz。如此，运输过程中的包装件受到运输工具的振动激励时，大于35 Hz以上的振动激励经过缓冲材料的过滤，传递到产品上的振动幅值降低，激发出的产品前几阶共振幅值较小，产品及内部部件较为安全。

3 缓冲与隔振包装设计

3.1 缓冲包装设计

发泡聚乙烯(EPE)俗称珍珠棉，具有化学性能稳定好，缓冲和回弹性好，易加工，可回收等特点，是应用最为广泛的缓冲材料之一[9]。EPE的缓冲性能是参照GB/T 8167-2008动态缓冲试验方法经测试得到的，由最大加速度-静应力曲线来描述。

以某型号机架式服务器产品质量为26 kg，预估的带包装毛重为30～32 kg为例，由前面的分析可以得到以下缓冲包装设计参数：1.跌落高度为510 mm。2.速度变化量大于1.76 m/s时产品所能承受的冲击加速度幅值为40 g。由EPE厂家Sealed Air提供的，27 kg/m3(1.7 PCF)和35 kg/m3(2.2 PCF)两种密度的EPE在18 in跌落高度下的最大加速度—静应力曲线如图4所示。

图4 18 in跌落高度最大加速度—静应力曲线

由机架式服务器尺寸所算出的全面缓冲包装时每个方向上的最小静应力为：前后方向：约0.85 PSI，左右方向：约0.5 PSI 上下方向：约0.1 PSI。从图4中可以看到每个方向上不同厚度下的预估最大加速度，表明每个方向上的缓冲面积均过大，尤其上下方向上采用局部缓冲即可。

运输容器通常采用瓦楞纸箱，瓦楞纸箱的内尺寸设计不仅仅要考虑缓冲衬垫的厚度，也要考虑与之配合的栈板尺寸，尽量做到纸箱的通用性。国内通用的栈板尺寸有两个，1 200×1 000 mm是推荐的尺寸。故一个栈板上摆放两台机器，1 000 mm方向与机架式服务器长度平行，600 mm方向与机架式服务器宽度平行，如此可以充分利用栈板的空间。

结合图4中的缓冲性能曲线，考虑到纸箱与栈板的配合和物料的通用性，可以得到各个方向上的最佳缓冲厚度和最佳静应力值设计参数见表3。

表3 最佳厚度与净应力值设计参数—考虑缓冲

3.2 隔振包装设计

EPE缓冲衬垫设计满足了缓冲性能之后，要考虑隔振性能。由前面的分析可以得到，包装+产品组成的包装系统，其振动放大区域小于35 Hz，作为第一个设计目标。EPE的振动传递性能是参照GB/T 8169-2008包装用缓冲材料振动传递特性试验方法经测试得到的，改变缓冲材料所承受的静压力值，并将特定的频率用线段连接起来，形成了耦合区(Coupling Zone)、放大区(Amplification Zone)、衰减区(Attenuation Zone)和共振频率线，即表述了EPE的振动传递性能。由EPE厂家Sealed Air提供的，27 kg/m3(1.7 PCF)和35 kg/m3(2.2 PCF)两种密度的EPE的振动传递性能曲线见图5。

图5 EPE振动传递特性曲线

以图5（a）为例，列出了1.7 PCF密度下，2～4 in厚度的EPE泡棉在不同的静压力值下的振动传递特性。图的右边有陆运（Track）和铁路运输（Rail），用不同的阴影表示该频率范围内的振动激励幅值较大，即设计上需要避免共振频率落在阴影范围内，这是第二个设计目标。

EPE材料是板材，由人工将各个部件熔接起来。因此受EPE缓冲衬垫的结构所限，某些方向上的静应力值并不能做到很大，通常情况下可以通过凸台的设计来提高静压力值，这样既不损失跌落状态下EPE泡棉对产品的支撑，又可以在压缩量小的振动工况下获得较大的静压力值。

结合图4的EPE缓冲性能曲线和图5的EPE振动传递特性曲线，可以对表3中的静压力值进行修正，修正后的设计参数见表4。

表4 最佳厚度与净应力值设计参数—考虑缓冲与隔振

4 包装测试结果

以某典型2U服务器为例，其尺寸长×宽×高为：760 mm×447 mm×89 mm，质量为26 kg。按照第3章的方法，进行EPE缓冲和隔振结构设计，以AB楞瓦楞纸箱作为运输容器，包装件内尺寸为960 mm×584 mm×241 mm，质量为31 kg。跌落试验机型号为：Lansmont PDT 300，跌落高度为510 mm。加速度传感器的型号为：PCB 356A01，加速度传感器粘贴在机架式服务器侧表面，靠近重的一侧且靠近机箱边缘位置。传感器安装位置如图6所示。

图6 传感器安装位置

包装件及跌落测试装置如图7所示。

图7 包装件及跌落测试装置

分别进行6个面的跌落，跌落测试结果如表5所示。

表5 跌落测试加速度响应参数

对包装件进行随机振动测试，随机振动的加速度功率密度谱(PSD)参照ISTA标准，从振动试验机的控制界面上可以看到随机振动的控制PSD曲线和传感器响应的PSD曲线，得到包装件的随机振动响应放大的频率区域，亦可以看到响应的PSD曲线小于控制PSD曲线的部分，该部分即振动响应衰减区域。放大区域和衰减区域的临界频率即交越频率(Crossover Frequency)。交越频率和共振频率的测试结果如表6所示。

表6 随机振动测试加速度响应参数

5 结 语

传统的产品破损边界曲线测试往往耗时耗力，一般企业无力进行，找到一种通用性好且可操作性强的包装设计标准是企业的现实需求。参考机架式服务器的机械冲击测试标准，得到了假想的产品破损边界曲线，可以作为机架式服务器缓冲包装设计的依据。参考机架式服务器的仿真分析结果，得到隔振包装设计的目标是振动放大区域最大频率小于35 Hz，且共振频率应避开15～20 Hz的范围。从缓冲材料的缓冲性能曲线和振动传递性能曲线中可以得到机架式服务器较为通用的设计参数。通过某型号产品的实测，证实了该设计方法的有效性。包装设计往往是在用料最省和物料通用性之间找到平衡点，本文的设计方法与思路可以为同类型产品的包装设计所参考。