胡紹貓

（京信通信技術(shù)（廣州）有限公司，廣東廣州 510660）

0 引言

地震是一種常見而又危害極大的自然現(xiàn)象，最近幾年發(fā)生在中國的幾次大地震，給人們的生命財(cái)產(chǎn)及安全都帶來了巨大的災(zāi)難。通信工程作為生命線工程，它的破壞不僅僅危及人們的財(cái)產(chǎn)安全，還給震后的搶險(xiǎn)救災(zāi)、人員搜救等工作帶來巨大的困難。而作為通信工程中設(shè)備主要承載體的機(jī)柜，如何確保其在地震中有足夠的抗震能力，以減輕災(zāi)害造成的社會損失就已成為工程界最為關(guān)心的問題。

目前，國內(nèi)外對通信電子設(shè)備機(jī)柜地震的響應(yīng)分析研究主要偏重理論計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)的建立，而用數(shù)值模擬來輔助機(jī)柜抗震分析設(shè)計(jì)的很少。鑒于此，本文按照地震試驗(yàn)的相關(guān)要求，結(jié)合大型有限元分析軟件ANSYS Workbench，對通信電子設(shè)備機(jī)柜進(jìn)行地震的數(shù)值模擬及深入分析研究，得出機(jī)柜結(jié)構(gòu)在一定頻率范圍內(nèi)地震振動下的響應(yīng)，為通信機(jī)柜的抗震設(shè)計(jì)提供一定的參考價(jià)值。

1 抗震分析方法概述[1-2]

結(jié)構(gòu)物抗震分析方法分為3類：靜力法、時(shí)程分析法和振型反應(yīng)譜法。靜力法是日本大房森教授于1899年提出的，它將結(jié)構(gòu)物視為一剛體，假設(shè)只有地面運(yùn)動所引起的慣性力在起作用，把慣性力作為靜力作用于結(jié)構(gòu)物，進(jìn)行抗震計(jì)算。但是，結(jié)構(gòu)物在地震過程中是會發(fā)生變形的，靜力法已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠適用。時(shí)程分析法是20世紀(jì)70年代提出的，該方法輸入與結(jié)構(gòu)物所在場地相應(yīng)的地震波作為地震作用，由初始狀態(tài)開始，一步一步地逐步積分，直至地震作用終了。但時(shí)程分析法地震波的選取沒有確定依據(jù)，且計(jì)算工作量大，考慮的繁雜因素多，因此一般只在規(guī)定的建筑場合中使用。

而振型反應(yīng)譜法是將結(jié)構(gòu)物簡化為多自由度體系，多自由度體系的地震反應(yīng)可以按照振型分解為多個(gè)單自由度體系反應(yīng)的組合，每個(gè)單自由度體系的最大反應(yīng)可以從反應(yīng)譜中求得，然后再按照一定的振型組合法則，求出結(jié)構(gòu)的地震總反應(yīng)。目前廣泛應(yīng)用的是振型反應(yīng)譜法，主要用于確定結(jié)構(gòu)對時(shí)間變化載荷，如地震、風(fēng)載、火箭發(fā)動機(jī)振動等的動力響應(yīng)情況。

利用有限元軟件ANSYS Workbench進(jìn)行機(jī)柜地震試驗(yàn)的數(shù)值模擬和抗震分析，主要包括以下幾個(gè)步驟：（1）建立有限元模型，即建立模型的幾何形狀，定義材料性質(zhì)、單元網(wǎng)格的劃分和施加邊界條件等；（2）進(jìn)行模態(tài)求解；（3）振型反應(yīng)譜分析及計(jì)算；（4）觀察結(jié)果及分析。

2 通信機(jī)柜結(jié)構(gòu)的抗震分析

2.1 有限元模型建立

目前，ANSYS Workbench支持兩種有限元模型的建立，一種是利用ANSYS Workbench自帶的幾何建模模塊根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙直接建立，另一種則是通過其他造型軟件如Pro/E等建立幾何模型，再利用ANSYS Workbench的導(dǎo)入接口導(dǎo)入已建立的模型文件來建立[3]。為提高建模效率，本文所研究的通信機(jī)柜，其有限元模型的建立采用第二種建模方式，即通過造型軟件Pro/E所建立的機(jī)柜模型直接導(dǎo)入ANSYS Workbench而得到。此處需強(qiáng)調(diào)的是，因Pro/E所建立的模型較為復(fù)雜，在模型導(dǎo)入ANSYS Workbench前，需對模型做簡化處理，否則會導(dǎo)致ANSYS Workbench處理時(shí)間太長或出錯(cuò)。簡化主要有兩個(gè)方面，一是刪除機(jī)柜結(jié)構(gòu)中對仿真結(jié)果無影響的一些結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，如導(dǎo)圓角等；二是對放置機(jī)柜內(nèi)的繁雜剛性體，如電源和插箱等，用等效質(zhì)量剛體替代。

本文所研究的通信機(jī)柜整體模型尺寸為600 mm×600 mm×2 170 mm，機(jī)柜材料主要有兩種，為冷軋鋼板Q235和不銹鋼316，分別賦予相應(yīng)的結(jié)構(gòu)元件，其材料的參數(shù)見表1所示。網(wǎng)格劃分采用智能網(wǎng)格劃分，并設(shè)置相應(yīng)的控制單元大小。機(jī)柜有限元結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分如圖1所示。

表1 通信機(jī)柜材料參數(shù)

圖1 通信機(jī)柜網(wǎng)格劃分圖

2.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析用于確定通信機(jī)柜設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的振動特性，即機(jī)柜結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，其分析結(jié)果是通信機(jī)柜承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。同時(shí)，也是通信機(jī)柜抗震分析的起點(diǎn)。

由于模態(tài)分析屬于動態(tài)分析中的固有特性分析，固有特性由固有頻率、振型等一組模態(tài)參數(shù)構(gòu)成，它由結(jié)構(gòu)本身（質(zhì)量與剛度分布）決定，而與外部載荷無關(guān)[4]。所以，在用ANSYS Work?bench對通信機(jī)柜進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，只在機(jī)柜底部預(yù)留的螺釘固定處，創(chuàng)建4個(gè)安裝點(diǎn)，并對其完全約束，不需施加任何載荷，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)提取前8階自振頻率和振型，得到機(jī)柜的自振頻率如表2所示。

表2 自振頻率列表

從上述模態(tài)分析的結(jié)果可以看出，本文所研究的通信機(jī)柜其自振頻率較低，地震波低頻段的響應(yīng)對其影響較大。

2.3 振型反應(yīng)譜分析

振型反應(yīng)譜法對通信機(jī)柜結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析，對應(yīng)于ANSYS Workbench下的響應(yīng)譜分析技術(shù)。它是一種將模態(tài)分析結(jié)果與一個(gè)已知頻譜聯(lián)系起來計(jì)算模型應(yīng)力的分析技術(shù)。

振型反應(yīng)譜分析分為單點(diǎn)反應(yīng)譜分析和多點(diǎn)反應(yīng)譜分析。單點(diǎn)振型反應(yīng)譜分析，是指在模型的一個(gè)點(diǎn)集上指定一個(gè)反應(yīng)譜響應(yīng)；多點(diǎn)振型反應(yīng)譜分析，則是在模型的不同點(diǎn)集上指定不同的反應(yīng)譜響應(yīng)。根據(jù)通信機(jī)柜地震試驗(yàn)的要求，宜采用單點(diǎn)反應(yīng)譜響應(yīng)分析，即地震加速度譜施加在通信機(jī)柜4個(gè)螺釘固定安裝處，作用方向?yàn)樗椒较颉?/p>

振型組合方法，選用抗震分析推薦的平方和開平方法（SRSS）對振型進(jìn)行組合，求取結(jié)構(gòu)體的最大綜合反應(yīng)。

地震頻譜，則是通信機(jī)柜在振型反應(yīng)譜法中需輸入的另一個(gè)重要參數(shù)，在本例中，地震頻譜曲線選自《Network Equipment-Building System(NEBS)Requirements:Physical Protection》地震試驗(yàn)條件中，地震烈度最為強(qiáng)烈的區(qū)域4的地震頻譜，其頻譜數(shù)據(jù)如表3所示[5]。

表3 地震頻譜表

2.4 結(jié)果分析

圖2 通信機(jī)柜等效應(yīng)力圖

通過以上仿真計(jì)算，求得通信機(jī)柜在地震強(qiáng)度下的等效應(yīng)力（如圖2所示）和水平方向變形圖（如圖3所示）。從仿真結(jié)果來看，應(yīng)力最大值為53.4 MPa，發(fā)生在通信機(jī)柜底座安裝處，其材料為Q235，屈服極限σs為235 MPa，安全因子n為1.67，根據(jù)σ≤σs/n=235/1.67=140.7 MPa，可知該通信機(jī)柜強(qiáng)度滿足抗震的強(qiáng)度要求。從機(jī)柜水平方向變形圖可知，機(jī)柜變形最大值出現(xiàn)在機(jī)柜安裝插箱處，其值為15.5 mm，少于《Network Equipment-Building System(NEBS)Requirements:Physical Protection》地震實(shí)驗(yàn)要求中最大變形值的70 mm，可知該機(jī)柜滿足地震試驗(yàn)的變形要求。

綜合以上分析，仿真結(jié)果表明該通信機(jī)柜滿足地震試驗(yàn)的抗震要求。

圖3 通信機(jī)柜水平方向變形圖

3 結(jié)論

本文根據(jù)地震反應(yīng)譜理論和地震試驗(yàn)的相關(guān)要求，并結(jié)合大型有限元分析軟件ANSYS Work?bench，對通信電子設(shè)備機(jī)柜進(jìn)行地震的數(shù)值模擬及深入分析研究，從而得出機(jī)柜結(jié)構(gòu)在一定頻率范圍內(nèi)地震振動下的響應(yīng)，為通信機(jī)柜的抗震設(shè)計(jì)提供了行之有效的方法，對通信機(jī)柜的安全性設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

［1］GB50011-2010.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］孫佳，許京荊，翁健.基于ANSYS Workbench高壓電阻箱式結(jié)構(gòu)的抗震分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2012（2）：72-74.

［3］李兵，何正嘉，陳雪峰.ANSYS Workbench設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

［4］杜平安，甘娥忠，于亞婷.有限元法-原理、建模及應(yīng)用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2006.

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