朱建華，劉勇志，鐘 浩，金 敏

（深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測研究院，深圳 518055）

電信設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化與抗震性能提高

朱建華，劉勇志，鐘 浩，金 敏

（深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測研究院，深圳 518055）

模擬地震試驗(yàn)是考察電信設(shè)備抗地震性能的一項(xiàng)重要方式，其反映了電信設(shè)備在地震中抵抗地震破壞的能力，進(jìn)而直接影響了國民經(jīng)濟(jì)等方面的安全水平。電信設(shè)備的主體框架的剛性直接影響著設(shè)備的抗地震能力，設(shè)備的固有頻率可以較為直觀的體現(xiàn)出設(shè)備的剛性特征。通過利用ANSYS軟件對(duì)常見形狀電信設(shè)備的主體框架進(jìn)行仿真分析，得到提高主體結(jié)構(gòu)中矩形框架的穩(wěn)定性和改變主體框架的橫截面形狀均可以很好地改善設(shè)備的固有頻率。通過對(duì)改善前后相關(guān)實(shí)例進(jìn)行實(shí)際的地震模擬測試，試驗(yàn)結(jié)果分析表明了ANSYS仿真的正確性。為地震模擬試驗(yàn)的相關(guān)研究提供了一種思路，同時(shí)也減少了利用大量實(shí)際模擬測試得到所需試驗(yàn)數(shù)據(jù)的工作量和經(jīng)濟(jì)成本。

初始響應(yīng)；抗震性能；固有頻率；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；變形量；低階模型

引言

頻度高、強(qiáng)度大、震源淺、分布廣、震害嚴(yán)重是我國地震活動(dòng)的基本特點(diǎn)。基于此，我國已制定了相關(guān)的法律法規(guī)來保障抗震設(shè)防工作的開展，有關(guān)行業(yè)也制訂了標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范去指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)抗震性能的提高。通信作為生命線工程之一，自然也在此列。而通信工程由各類型的電信設(shè)備通過物理上、邏輯上鏈接組成，所以最終通信系統(tǒng)抗震性能的提高將必然著重于具體的電信設(shè)備。電信設(shè)備結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與抗震性能的提高息息相關(guān)。

通常地，電信設(shè)備服役于特點(diǎn)的支撐結(jié)構(gòu)當(dāng)中，即電信設(shè)備一般分為三類，一類是自成一個(gè)機(jī)柜形式的設(shè)備，也稱機(jī)柜級(jí)；二類是需要安裝于特定機(jī)柜里的設(shè)備，也稱子架級(jí)設(shè)備；三類是安裝于墻面或桿上的設(shè)備，也稱掛墻式設(shè)備。

基于ETSI EN 300019-2-3、ETSI EN 300019-2-4的研究成果，如電信設(shè)備共振搜索的結(jié)果顯示未有低于5 Hz的共振頻率，并且已經(jīng)通過了正弦掃頻試驗(yàn)（測試條件見表1），則抗震性能試驗(yàn)可以忽略，即認(rèn)為該產(chǎn)品已通過了抗震性能試驗(yàn)。

確切來說，伴隨著工藝水平的提高，單個(gè)電信設(shè)備的共振頻率已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于5 Hz這個(gè)水平了，經(jīng)過對(duì)國內(nèi)知名企業(yè)產(chǎn)品的歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)已得到確認(rèn)。但往往因產(chǎn)品的支撐結(jié)構(gòu)的放大作用，致使在抗震驗(yàn)證試驗(yàn)過程中出現(xiàn)失效。同時(shí)，也因?yàn)殡娦旁O(shè)備以機(jī)柜形式或服役于特定的機(jī)柜所占的比例較高，因此，這里只闡述基于機(jī)柜、機(jī)架的電信設(shè)備的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)借助ANSY軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析。

1 實(shí)例分析

從現(xiàn)有的主要的關(guān)于電信設(shè)備抗震驗(yàn)證試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來看，如YD 5083、ETSI EN 300019-2-3、ETSI EN 300019-2-4、GR-63-CORE等，在規(guī)范的全面性、對(duì)過程監(jiān)測要求的明確性的體現(xiàn)上，規(guī)范GR-63-CORE在這些方面是較為全面的。因此本文將主要依據(jù)GR-63-CORE規(guī)范進(jìn)行相關(guān)的實(shí)例分析。

一般情況下，抗震試驗(yàn)主要由兩個(gè)試驗(yàn)組成，一個(gè)是初始響應(yīng)檢測，另一個(gè)是抗震驗(yàn)證試驗(yàn)。具體試驗(yàn)條件如下：

1）初始響應(yīng)檢測（樣品共振頻率確定），試驗(yàn)條件見表2。

2）抗震驗(yàn)證試驗(yàn)，要求響應(yīng)譜和試驗(yàn)條件如圖1，實(shí)例中選取嚴(yán)酷等級(jí)Zone 4。

表1 正弦掃頻試驗(yàn)條件

表2 初始響應(yīng)檢查條件

在抗震試驗(yàn)中為了更好地模擬實(shí)際的地震對(duì)產(chǎn)品的影響，要求樣品固定在地震臺(tái)上時(shí)應(yīng)盡可能的與實(shí)際情況相似。不同的安裝方式對(duì)樣品的抗震性能有著很大的影響，此實(shí)例中采用了大多數(shù)樣品的安裝方式，即采取螺栓固定機(jī)框四角的方式。在試驗(yàn)過程中，依據(jù)規(guī)范GR-63-CORE的要求，在測試過程中需對(duì)樣品上，中，下三部位的響應(yīng)加速度值變化情況進(jìn)行測量。

圖2為初始響應(yīng)檢測（共振頻率確定）中樣品上、中、下三個(gè)部位的響應(yīng)加速度值隨掃描頻率增大變化的曲線圖。由圖中可看到樣品上、中部位監(jiān)測到的響應(yīng)加速度值均出現(xiàn)一個(gè)最高峰值，此時(shí)對(duì)應(yīng)的掃描頻率即為樣品的固有頻率，檢測到的共振頻率為2.499 Hz。由于地震波是一種低頻率波，一般來說，樣品固有頻率較低時(shí)很容易受到地震波的影響，抗震性能差。規(guī)范GR-63-CORE中明確要求樣品的固有頻率應(yīng)大于2 Hz，最好大于6 Hz。因此，根據(jù)初始響應(yīng)檢測得到的樣品固有頻率分析中可以估計(jì)樣品的抗震性能不是很好。在實(shí)際的測試過程中，樣品上下四角的連接處均出現(xiàn)了撕裂的現(xiàn)象。

圖1 要求響應(yīng)譜及離散頻率和加速度

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

從上述案例分析，共振頻率是影響設(shè)備抗地震性能的關(guān)鍵因素之一。這主要是因?yàn)榈卣鹫駝?dòng)是一種低頻震動(dòng)，振動(dòng)頻率在1～35 Hz內(nèi)具有最大能量，1～10 Hz的頻率段對(duì)產(chǎn)品更具破壞性。提高產(chǎn)品的固有頻率是提高產(chǎn)品整體抗震性能的思路之一，而提高產(chǎn)品固有頻率主要是提高產(chǎn)品的主體結(jié)構(gòu)的剛性，即提高產(chǎn)品主體結(jié)構(gòu)的抗彎曲、抗扭轉(zhuǎn)的特性。

圖3是機(jī)柜式電信設(shè)備的基本形態(tài)，這里先假定其立柱為矩形空心截面。

沿著上述兩條思路，對(duì)照機(jī)柜式電信設(shè)備的基本形態(tài)，可以先通過改變立柱的尺寸來做一個(gè)嘗試，用ANSYS分析軟件來觀察模型的低階振型。

圖2 初始響應(yīng)檢測試驗(yàn)譜圖

從圖3和圖4兩個(gè)模型低階振型可知，30 mm×30 mm模型的一階固有頻率為7.774 92 Hz，50 mm×50 mm模型的一階固有頻率為13.208 6 Hz。因此，改變立柱的尺寸，是可以有效地提高產(chǎn)品的固有頻率的。但是，從模態(tài)分析的結(jié)果也顯示，兩個(gè)模型所對(duì)應(yīng)的低階形變量較大，分別為0.291 096和0.222 824。這也就意味著，要保證結(jié)構(gòu)的完整，立柱需要有足夠的抗彎特性，這就對(duì)已經(jīng)選定了鋼作為主要材料的現(xiàn)狀提出更苛刻的要求，其難度可想而知。

這里再嘗試著改變立柱的截面形狀，變更后的截面形狀如圖5所示。

從圖6可知，通過更改截面形狀，可以提高產(chǎn)品的固有頻率，為13.170 7 Hz。但同樣不可避免的是，模態(tài)分析也顯示該低階振型的變形量也達(dá)到了0.260 99。

綜合以上，增大立柱的尺寸和改變界面的形狀，都可以達(dá)到提高產(chǎn)品固有頻率的作用。但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，限定立柱的形變將成為主要攻克的方向，畢竟，使用時(shí)合理載重配備、合理的質(zhì)量分布可以很好地限制立柱的扭轉(zhuǎn)響應(yīng)值。

純粹的矩形，其結(jié)構(gòu)是不穩(wěn)定的，幾何學(xué)中明確說明，三角形具有穩(wěn)定性。因此，嘗試在所有的四邊形中添加三角塊進(jìn)行約束，再觀察其低階振型。

圖3 30mm×30mm模型低階振型

圖4 50mm×50mm模型低階振型

圖5 變更的截面形狀

圖6 變更截面形狀模型低階振型

圖7 一階振型

圖8 二階振型

圖9 三階振型

圖10 四階振型

圖11 一階振型

表3 添加前后ANSYS仿真數(shù)據(jù)

ANSYS分析結(jié)果：30 mm×30 mm模型的一階固有頻率為7.901 44 Hz，變形量為0.291 096；50 mm×50 mm模型的一階固有頻率為13.156 8 Hz，變形量為0.222 824；變更截面形狀模型的一階固有頻率為13.412 Hz變形量為0.260 99。添加前后的比較數(shù)據(jù)見表3。

通過對(duì)上述數(shù)據(jù)比較分析可知（見表3所示），添加前和添加后，型式A～型式C在固有頻率上的變化均不大。但添加后，其變形量均同向減小。由此可知，約束三角鐵的添加是非常有必要的。

對(duì)工藝的了解，如型式C的截面形狀在使用時(shí)被廣泛采用。以下圖7～圖10是型式C截面形狀的前四階振型。

從上圖可知，其第一階至第四階固有頻率分別為：13.376 4 Hz、15.320 4 Hz、19.281 8 Hz、45.455 4 Hz。在四階振型中，我們可以清晰地知道，減少變形，避免焊接處出現(xiàn)應(yīng)力過度集中，依然是結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的主要工作。第三階振型，主體立柱出現(xiàn)了較大變形；第四階振型，頂部的橫梁出現(xiàn)了皺褶狀變形。這都可以繼續(xù)通過改變其截面的尺寸而得到優(yōu)化。在第五階振型中（第五階固有頻率已經(jīng)超出50 Hz），立柱出現(xiàn)了膨脹形式的變形，由此也為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了方向，立柱的前后同樣是需要進(jìn)行牽引和約束。

通過保持原有的截面形狀，增加截面的尺寸、增加橫梁的尺寸的振型圖。原先的問題得到了很好的解決。其第四階固有頻率就已經(jīng)超過50 Hz，因此，對(duì)更高階的固有頻率進(jìn)行分析已沒有意義。

同樣地，經(jīng)過對(duì)立柱前后立柱的牽引，從圖11～圖15振型的變形特性得到了約束，這必將有益于結(jié)構(gòu)抗震性能的提高。

綜上所述，電信設(shè)備結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)著重從以下四點(diǎn)進(jìn)行：

圖12 二階振型

圖13 三階振型

圖14 四階振型

圖15 五階振型

圖16 初始響應(yīng)檢測及抗震驗(yàn)證試驗(yàn)

圖17 抗震驗(yàn)證試驗(yàn)后樣品狀態(tài)

圖18 初始響應(yīng)檢測試驗(yàn)譜圖

1）改變結(jié)構(gòu)尺寸；

2）改變截面形狀；

3）提高矩形結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；

4）提高矩形窗的分割數(shù)等。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后實(shí)例驗(yàn)證分析

通過對(duì)常見機(jī)框式電信設(shè)備結(jié)構(gòu)仿真分析，可知道在改變機(jī)框主體結(jié)構(gòu)的橫截面形狀可以很好的提高機(jī)框的固有頻率。此外，提高矩形結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性同樣也可以提高機(jī)框的固有頻率?；诖朔抡娣治龅慕Y(jié)論，在第1節(jié)中實(shí)例機(jī)框的前后矩形框架中間增加兩塊剛板連接，同時(shí)在機(jī)框的焊接處輔以一個(gè)三角結(jié)構(gòu)（見圖16和圖17），以便提高整體框架的剛性。然后對(duì)改進(jìn)后的機(jī)框進(jìn)行和第1節(jié)中相同條件的地震試驗(yàn)。圖18所示為改進(jìn)后機(jī)框進(jìn)行初始響應(yīng)檢測時(shí)所監(jiān)測到的機(jī)框上、中、下部分響應(yīng)加速度隨頻率變化曲線。從曲線中可以看到，機(jī)框的固有頻率為6.851 7 Hz，相比之前的固有頻率2.499 Hz，說明改善后機(jī)框抗地震性能應(yīng)得到了很大的提高。在后續(xù)的抗震驗(yàn)證試驗(yàn)中，機(jī)框的抗地震性能確實(shí)得到了明顯的提高，未出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象（見圖17）。

4 總結(jié)

對(duì)于抗震性能，其基礎(chǔ)在于結(jié)構(gòu)的自身特性，即結(jié)構(gòu)特性的決定了抗震性能。經(jīng)過對(duì)優(yōu)化前后案例的分析，試驗(yàn)證明，改變截面的尺寸、改變截面的形狀、分割過大的矩形窗等均可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化從而提高產(chǎn)品的抗震性能。

ANSYS作為現(xiàn)代工程分析中的一個(gè)重要仿真工具，對(duì)于提高設(shè)計(jì)效率、縮短設(shè)計(jì)周期均有出色的表現(xiàn)。

[1] YD 5083, 電信設(shè)備抗地震性能檢測規(guī)范[S].

[2] GR-63-CORE NEBSTM, Requirements： Physical Protection[S].

[3] ETSI EN 30019-2-3, Environmental Engineering (EE); Environmental conditions and environmental tests for telecommunications equipment; Part 2-3： Specification of environmental tests; Stationary use at weatherprotected locations[S].

[4] ETSI EN 300019-2-4, Environmental Engineering (EE); Environmental conditions and environmental tests for telecommunications equipment; Part 2-4： Specification of environmental tests; Stationary use at non-weatherprotected locations[S].

[5]胡聿賢.地震工程學(xué)[M].北京：地震出版社, 2006.

[6]呂琳. ANSYS有限元結(jié)構(gòu)分析及實(shí)例解析[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

[7]朱健.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理與地震易損性分析[M].北京：科學(xué)出版社, 2013.

朱建華（1972-- ），男，廣東梅州人，高級(jí)工程師，碩士研究生，從事環(huán)境可靠性試驗(yàn)與研究。

Structure Optimization and Anti-seismic Property Improvement of Telecommunication Equipment

ZHU Jian-hua, LIU Yong-zhi, ZHONG Hao, JIN Min
(Shenzhen Academy of Metrology & Quality Inspection, Shenzhen 518055)

The simulated earthquake test is an important way to inspect the anti-seismic property of the telecommunication equipment, which reflects the ability of the telecommunication equipment to resist the earthquake damage, and then directly affects the safety level of the national economy, etc. The rigidity of the main frame of the telecommunication equipment directly influences the seismic property of the equipment, and the natural frequency of the equipment can be more intuitive to reflect the rigidity of the equipment. Using the ANSYS to simulate the main frame of the common shape telecommunication equipment, the stability of the rectangular frame and the cross section shape of the main frame can be improved. Through the improvement of the relevant examples to carry out the actual earthquake simulation test, the test results analysis shows that the ANSYS simulation is correct. It provides a way of thinking for the related research of seismic simulation experiments, and also reduces the workload and economic cost of the required test data by using a large number of actual simulation tests.

initial response; anti-seismic property; natural frequency; structure optimization; deformation; low order model

TB99

B

1004-7204（2015）04-0030-06