劉曉琳+沈順強(qiáng)+南江紅

摘要：本文分別從鈑金機(jī)柜的總體布局及外購件選型兩方面，探討其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)策略，并利用ANSYS對其開展優(yōu)化分析，以此來提升其低階固有頻率，首先抗震性能的提升。

關(guān)鍵詞：ANSYS；鈑金機(jī)柜；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)柜可用于存放各種控制設(shè)備與計(jì)算機(jī)，使設(shè)備排列更加整齊有序，從而節(jié)省空間，此外，還便于設(shè)備的安裝與后續(xù)維護(hù)。伴隨我國沖壓技術(shù)的不斷發(fā)展，鈑金機(jī)柜憑借其成本低、尺寸精度高、生產(chǎn)效率高、重量輕及便于自動化與機(jī)械化等優(yōu)點(diǎn)，在多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文以ANSYS為基礎(chǔ)，對鈑金機(jī)柜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析。

1. 鈑金機(jī)柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的總體布局

依據(jù)用戶所提出的具體要求，機(jī)柜需依據(jù)GB/T3047.2-97《高度時制為44.45mm的面板、機(jī)柜與機(jī)架的基本尺寸系列》的標(biāo)準(zhǔn)開展設(shè)計(jì)，此外，與之相配套的上架插箱，則需依據(jù)GB/T3047.4-1986《高度進(jìn)制為44.45mm的插件、插箱的基本尺寸系列》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開展設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)鈑金機(jī)柜的結(jié)構(gòu)時，機(jī)柜的正面需設(shè)置為開放式，而其正面立柱則需要依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置系列正方形孔，將其作為安裝卡式浮動螺母，以此來更好的固定面板與插箱。為了便于安裝與維護(hù)，機(jī)柜的正面需要設(shè)計(jì)成便于操作的開放式，可以安裝的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱。另外，經(jīng)三節(jié)滾珠導(dǎo)軌，實(shí)現(xiàn)機(jī)柜與機(jī)箱的連接，以此達(dá)到便于維護(hù)的目的。針對機(jī)柜的后面與兩側(cè)而言，都要設(shè)計(jì)成可以拆卸的快鎖門，而且運(yùn)用螺釘將其固定，以此來達(dá)到減噪、防震的目的。在實(shí)際設(shè)計(jì)時，一些用戶會要求從底部進(jìn)線，為便于裝調(diào)人員自機(jī)柜正面進(jìn)行安裝和調(diào)試，可以在機(jī)柜的底部位置事先預(yù)留適當(dāng)空間，用于安裝諸如信號電纜轉(zhuǎn)接板等。對于機(jī)柜底部的進(jìn)線孔而言，需設(shè)計(jì)有防鼠套，預(yù)防老鼠進(jìn)柜，損壞電線。

（1）熱設(shè)計(jì)。所謂電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)，實(shí)際就是整機(jī)、組件及電子元件進(jìn)行升溫控制。至此，對通風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理化改進(jìn)，對冷卻空氣的對流加以強(qiáng)化，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部溫度的顯著降低。一般情況下，熱空氣要輕于冷空氣，而對于機(jī)柜當(dāng)中的空氣而言，其多為從下往上的流向，所以，在機(jī)柜的后面及兩側(cè)位置，專門設(shè)置一些孔，將其當(dāng)作進(jìn)風(fēng)口，然后與機(jī)柜上方，安裝4個風(fēng)機(jī)，將其當(dāng)作排風(fēng)口，以此推動機(jī)柜當(dāng)中空氣流動性的增強(qiáng)，形成自然化的對流通道，最終實(shí)現(xiàn)散熱。（2）機(jī)柜的內(nèi)部走線。因機(jī)柜中的抽箱可以經(jīng)導(dǎo)軌而拉出的，因此，插箱上所布設(shè)的線纜，同樣會隨著插箱的移動而移動，若插箱被推到機(jī)柜當(dāng)中，則其上面的線纜同樣會進(jìn)入機(jī)柜中。所以，怎樣處理插箱上的電纜，使線纜可以隨著插箱移動而移動，且在移動時避免里面的電纜出現(xiàn)相互纏繞的情況，要想實(shí)現(xiàn)此點(diǎn)，跟線架的設(shè)計(jì)便顯得格外重要，在設(shè)計(jì)鈑金機(jī)柜時，可將一個跟線板設(shè)置在兩個插箱的中間，事先在跟線板上做好綁線孔，在走線架中，線纜自機(jī)柜兩側(cè)至插箱之間的跟線板上，線纜經(jīng)跟線板，至插箱1/2深度尺寸處，然后將其固定，另外，依據(jù)實(shí)際需要，預(yù)留一定長度的活動線纜焊接插頭，將其插到插箱后的插座上，各根線纜均有與之相匹配的插座。此時，將插箱抽出于機(jī)柜時，長度為1/2插箱深度尺寸的線纜，便于經(jīng)機(jī)箱后方，折回至機(jī)柜當(dāng)中。此種走線方式，可使線纜更為整齊。

2.外購件的選型

（1）選擇合理的隔震器。在選擇隔震器時，由于用處不同，因此在選擇上會存在差異，比如船用機(jī)柜，通常安裝于船艙的主體區(qū)，在壽命周期內(nèi)，要求能夠經(jīng)受碰撞、沖擊與振動等的考驗(yàn)。所以，針對此類機(jī)柜，通常選用隔振緩沖系統(tǒng)，以此來減緩力學(xué)環(huán)境對設(shè)備的不利影響，如此一來，除了有助于設(shè)備可靠性的提升，還能在某種程度上，延長設(shè)備的使用壽命。在設(shè)計(jì)機(jī)柜時，由于安裝設(shè)備后，其重心基本重合于隔震器支撐平面的重心，因此，可運(yùn)用4個有著相同垂直承載能力的GH系列鋼絲繩隔震器。由于有著比較高的機(jī)柜，為使機(jī)柜穩(wěn)定性增強(qiáng)，在機(jī)柜頂部，可安裝2個隔震器，達(dá)到隔震緩沖的目的。（2）選擇導(dǎo)軌。在選擇機(jī)柜的導(dǎo)軌時，選用市場上常用的三節(jié)重型滾珠導(dǎo)軌便可。

3.運(yùn)用ANSYS優(yōu)化分析

3.1優(yōu)化方法

優(yōu)化變量包含有目標(biāo)函數(shù)、狀態(tài)變量與設(shè)計(jì)變量。設(shè)計(jì)變量也就是設(shè)計(jì)參數(shù)，在實(shí)際優(yōu)化設(shè)計(jì)時，需首先確定設(shè)計(jì)參數(shù)。對于狀態(tài)變量而言，就是約束條件；目標(biāo)函數(shù)即評價函數(shù)，此乃對設(shè)計(jì)目標(biāo)優(yōu)劣進(jìn)行評價的重要標(biāo)志。在優(yōu)化方法方面，主要有兩種，即梯度尋優(yōu)法與零階法。針對零階法而言，即直接發(fā)，此乃一種比較常見的函數(shù)逼進(jìn)優(yōu)化方法，不易陷進(jìn)局部極值點(diǎn)，有著比較少的消耗機(jī)時，但有著不高的優(yōu)化精度，所以，多將其用于粗優(yōu)化。（2）針對梯度尋優(yōu)法來講，就是運(yùn)用因變量的一階偏導(dǎo)數(shù)。此種方法乃是基于上述方法的改進(jìn)版。此方法對于有著較大設(shè)計(jì)空間及因變量變化較大時，比較適用，但有著比較多的機(jī)時消耗。所以，首先運(yùn)用零階方法進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇謨?yōu)化，將最優(yōu)解的基本位置初步確定下來，然后運(yùn)用一階方法，開展精確優(yōu)化，最終將更精確的解確定下來。需指出的是，在運(yùn)用第二類梯度尋優(yōu)開展優(yōu)化過程中，除了可能會陷入局部最小點(diǎn)之外，還會消耗過長的時間，所以，通常建議運(yùn)用0階函數(shù)逼進(jìn)來優(yōu)化subp。

3.2優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)優(yōu)化，可得知一個14組的優(yōu)化序列，而且還能知道SET3為最優(yōu)解，此時的頻率為=-1.3193，而對于1階固有頻率而言，即=40-=38.6806。經(jīng)優(yōu)化，得出固有頻率相比于優(yōu)化前，提升25%。因此，在基本框架保持不變的情況下，強(qiáng)化寬度，對1階固有頻率影響較大，只有經(jīng)優(yōu)化，才能找出最合適位置。

4.結(jié)語

綜上，在優(yōu)化設(shè)計(jì)鈑金機(jī)柜的結(jié)構(gòu)時，除了要合理布置機(jī)柜的內(nèi)部之外，還需合理選擇外購件，只有這樣，才能使機(jī)柜結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)化。相比于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用ANSYS軟件開展結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，能夠?qū)υO(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，大幅縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造周期，還能有效規(guī)避食鹽所致財(cái)力與時間方面的浪費(fèi)。

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作者簡介：劉曉琳（1989 10 16-）性別：女，民族：漢，籍貫：山東省聊城市，當(dāng)前職稱：助理工程師，學(xué)歷：碩士，研究方向：機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).endprint