电子设备吊装强度评估.pdf

302023,61(8)总第7 0 8 期机械制造研究发电子设备吊装强度评估荣晶台达电子企业管理（上海）有限公司上海201209摘要：为满足市场对高功率密度产品的需求，电子设备内部元器件质量增大，但会导致柜体吊装时存在失效风险。对某型号电子设备升级换代后的吊装强度进行评估。针对电子设备中的不同位置，结合理论计算和有限元分析方法，发现风险点，并进行结构改进和验证。进行有限元分析时，针对柜体中零部件外形特点和受力情况，综合使用实体单元、壳单元、杆单元、质量点，尽可能减少网格数量，以提高仿真效率，从而快速找出结构中的风险点。使用子模型技术，针对关键位置进行网格细化，得到更为精确可靠的仿真结果。关键词：电子设备吊装强度评估中图分类号：TH123+.3文献标志码：A文章编号：10 0 0-4 9 9 8（2 0 2 3)0 8-0 0 3 0-0 6Abstract:In order to meet the market demand for high power density product,the mass of internalcomponent of electronic equipment has increased,but it will lead to the risk of failure during cabinet hoisting.The hoisting strength of a type of electronic equipment after upgrading was evaluated.According to differentpositions in electronic equipment,as well as combining theoretical calculation and finite element analysismethod,the risk point was identified,and structural improvement and verification were carried out.In thefinite element analysis,according to the shape characteristic and stress condition of component in the cabinet,the solid unit,shell unit,rod unit,mass point were comprehensively used to reduce the grid number to thefull.As a result,the simulation efficiency was improved,and the risk point in the structure can be quicklyidentified.Specifically,more accurate and reliable simulation result can be obtained by using submodeltechnology and performing mesh refinement on the key location.Keywords:Electronic EquipmentHoistingStrengthEvaluation1石研究背景功率密度是评估电子设备设计水平的一个重要指标，高功率密度通常要求在有限的空间内装载更多的功率模块和元器件，集成更多的功能，从而获得更大的市场竞争优势，助力产品获得更多的市场份额。与此同时，对结构的强度和布局也提出了更高的要求。某型号电子设备在升级换代过程中，在原有柜体中加人更多的功率模块和器件，以求提高功率密度，与此同时，如果仍然采用原有的柜体顶部吊环吊装方式，必然面临柜体塑性变形，甚至断裂失效的风险。笔者结合理论计算和有限元分析方法，进行吊装强度评估，对柜体吊装时的变形和受力情况进行分析，在项目设计阶段锁定风险点，有针对性的对原结构设计进行改进，避免后期不断试验和反复优化的过程，缩短产品开发周期，节省研发成本。2设备布局电子设备的柜体尺寸为2 0 0 0 mm6000mm1000mm，柜体吊装如图1所示。柜体主体框架采用常见的九折型材，柜体门板为厚度1.5mm的镀锌钢板。柜体的底部由槽钢底座支撑，内部左右两侧及前后立柱之上均使用横梁连接，以提高柜体的刚度和承载能力。柜体顶部设有四个吊环螺栓，用于起吊使用。柜体内部分为上中下三层，柜体内部结构如图2 所示。底层放置电抗器，中间层放置功率模块，顶层用于放置控制盘及输人输出铜排、熔体等器件。升级后电子设备使用的电抗器质量增大2 0 0 kg。中间层的模块也进行相应升级，功率增大导致单个模块质量增大7 0 kg。顶层的输人输出部分器件重新选型，质量增大，对铜排也重新设计，共增大质量10 0 kg左右。312023,61(8)总第7 0 8 期机械制造发A图1柜体吊装图2柜体内部结构电子设备如果使用底部吊装方式，柜体很容易倾覆，需要额外制作工装保证吊装的稳定性。如果采用顶部吊环吊装，在重力的作用下，柜体会自然挂在吊钩上，从而实现稳定安全吊装。问题在于原有电子设备，内部功率模块和组件质量较小，经实际测试后吊起时柜体强度满足要求，但是升级后柜体内器件质量显著增大，柜体框架、横梁支架应力及变形显著增大，存在结构失效风险，需要进行强度评估。3吊环螺栓强度校核顶部的吊环螺栓结构复杂，如果导人仿真模型分析，需要划分较为复杂的网格，从而导致计算时间大大增加。笔者主要关注柜体的结构强度而非吊环受力，所以采用理论计算的方式先校核强度，然后在仿真模型中对螺栓形状进行简化，从而节约计算资源，提高仿真效率。顶部吊环螺栓受力分析如图3 所示。假设质心在柜体中心，每个吊环受到的拉力大小相等。顶部四个吊环均受到吊绳的拉力F，拉力F可以分解为两个力F。和F，它们的关系为：F。=F sin(1)F,=Fcos(2)FFF11图3顶部吊环螺栓受力分析根据力平衡可知，柜体重力和四根绳索的拉力分量F相等，即：G=4F.（3）根据实际吊装情况，角度一般为6 0，柜体质量为150 0 kg，最终可得F。为3 7 0 0 N,F,为2 13 6 N。从而可以得到M10规格螺栓的拉伸应力为4 7MPa,剪切应力为2 7 MPa。根据第四强度理论，为：+37=66MPa吊环螺栓材料为碳钢，强度等级为4.8，所以屈服强度。为3 2 0 MPa,最终可以得到吊环螺栓的剩余强度因数m为：m=g./g4=4.8m远大于1，说明吊环螺栓满足强度要求。4柜体框架强度校核4.1仿真原理ANSYSWorkbench是一个强大的工程仿真平台，融合了静力分析、动力学分析等模块，在工程分析和仿真方面具有优势。ANSYSWorkbench中包含SCDM和322023,61(8)总第7 0 8 期机械制造研究发DM建模模块，但是与常用的三维建模软件相比，建模能力存在差距，如果完全使用ANSYSWorkbench完成从建模到仿真的流程，将会非常烦琐，耗费大量时间。STEP作为通用的文件格式，被广泛应用于各种计算机辅助设计软件和仿真平台进行数据交换。STEP可以保留模型的几何造型、尺寸等信息，使工程师在不同环境中完成工程分析、仿真模拟、优化设计工作。笔者采用的方法是柜体建模设计使用专业三维建模软件Creo，通过转换为STEP格式导人ANSYSWorkbench中的SCDM模块，再调用ANSYSWorkbench中的静力学分析模块进行计算2 4.2有限元建模有限元模型的质量决定了最终仿真计算结果的可信度和仿真效率。每个零件都是空间三维实体，电子设备柜体及内部元器件数量多，结构复杂，如果都采用实体单元，会导致分析和计算工作量大，现有的计算资源无法满足要求。对此，考虑采用常用的简化手段，即降维。现有的柜体主体都是钣金零件，钣金零件的特征是厚度方向尺寸远小于长度和宽度方向，正好符合壳单元的特征，使用壳单元可以减少节点数量，并达到很好的计算效果3 。如果使用实体单元，厚度方向网格细分会导致网格数量成倍增加，所以仿真时柜体框架、门板、支撑钣金件均简化为壳单元。对于柜体内部的功率模块及电气元件，笔者不关心其局部变形和应力，而是需要分析其重力对柜体框架强度的影响，所以简化为质量点，从而极大减少网格数量，由此在保证计算精度和可靠性的基础上，提高计算速度。门板固定件、铰链、框架焊接处的连接件形状无法进行简化，还是采用实体单元，但是需要去除对仿真结果影响较小的圆角、倒角、圆孔等特征，获得简化模型，从而使网格数量更少，质量更高。4.3仿真设置电子设备吊装过程中载荷分为两种形式。一种是柜体本体及底托的重力，为均布载荷，采用重力载荷方式施加。另一种是内部元器件，因为简化为质量点，所以以集中载荷的方式施加在对应的安装固定位置。框架和门板、内部支撑梁、底托使用绑定接触，焊缝与框架也使用绑定接触。需要注意的是，框架九折型材的三通接头和型材之间的接触使用摩擦接触。三通接头如图4 所示，九折型材框架组装如图5所示，组装照片如图6 所示。九折型材框架组装时，先将型材的孔插人三通接头，然后再焊接为一体，如果使用绑定接触，那么型材和三通接头的接触面将会模拟为焊接在一起的状态，从而承受原本应由焊缝承受的力，与实际情况不符，导致计算出的仿真结果出现较大误差，无法正确评估受力情况OOO图4三通接头图5九折型材框架组装人图6九折型材框架组装照片为了模拟吊装在空中的状态，使用连接副将绳索一端与吊环螺栓固定，再将绳索另一端与地固定，绳索使用LINK180单元模拟4.4仿真结果柜体钣金零件及底托均采用Q235材料，焊接采用E501-T材料，从机械设计手册中得到材料机械性能参数，见表1。332023,61(8)总第7 0 8 期机械制造发表1材料机械性能参数弹性模量泊松密度屈服强度极限强度材料/MPa比/(kg:m-3)/MPa/MPaQ2352.06 1050.37.9103210550E501T-12.051050.347.84 103300550根据设计经验，考虑实际吊装过程中起吊初期的起吊力最大，叠加柜体晃动、落地时可能会有冲击等因素，安全因数取1.5，从而得到焊缝的许用应力为2 0 0MPa，柜体钣金支架的许用应力为14 0 MPa。评定标准为焊缝及框架的应力均不得超过许用应力。位移仿真结果如图7 所示，最大位移位置如图8所示。应力仿真结果如图9 所示，最大应力位置如图10 所示。5.20964.63084.05193.47312.89422.31541.73651.15770.578850(mm)MaNY0.00500.0001000.00(mm)250.00750.00图7位移仿真结果5.2096Max4.97864.74754.51654.28544.05443.82343.59233.36133.1302Min(mm)0.00100.00200.00(mm)50.0050.00图8最大位移位置最大位移位置在下部横梁中间，因为功率模块质量增大后，此处变形增大，横梁中间下凹，需要减小变形量。最大应力位置在顶部焊缝处，这一结果与实际吻合。因为起吊过程中，柜体内部元器件的重力由支架和立柱传导，最终都由框架顶部四角的焊缝承受。由仿真结果可以看出，焊缝和立柱的应力均已超过各自的许用应力。虽然已经找到应力危险点所在位置，但是可以看出网格比较粗糙，仿真结果误差较大。如果对网格继784.16Max593.14402.13211.12183.47155.83128.18100.5372.88645.2417.5938.79669.9439e-8Min(MPa)0.00500.001000.00(mm)250.00750.00A图9应力仿真结果784.16Max588.13392.09196.06163.39May130.7298.04865.37632.7040.03226Min(MPa).000(mm)500图10最大应力位置续加密，柜体零件较多，总体网格数量会达到数百万，现有的计算资源无法满足计算要求。于是采用基于圣维南原理的子模型技术，截取关注的模型区域进行网格细化，然后将切割边界计算位移值作为子模型的边界条件，从而在保证精度的前提下提高了运算效率4 。子模型网格细化后焊缝应力云图如图11所示，立柱应力云图如图12 所示。226.85201.65176.45151.24126.04100.83Max75.63150.42725.2230.019664(MPa)020.0图11网格细化后焊缝应力云图342023,61(8)总第7 0 8 期机械制造研究发394.96320.94246.92172.89144.11115.3286.533570.49(MPa)0.00010.00020.000(mm)5.00015.000图12网格细化后立柱应力云图可以看出焊缝和立柱的本体应力已经超过许用应力，在吊装过程中的确存在屈服失效的风险。5设计优化根据现有的分析结果可以看出，最大位移位于固定功率模块的横梁中间位置，最大应力位于顶部框架的焊缝处，两者均不满足设计要求，于是考虑提高焊缝强度，并对柜体框架进行优化。提出的优化方案有两部分。第一,增大焊脚尺寸，由原3 mm增大到5mm。第二，在柜体中部增加立柱，一方面可以减小横梁变形，另一方面可以在吊装时承担部分原本焊缝的受力。优化方案如图13 所示。图13优化方案更新仿真模型，优化后最大变形位置如图14 所示，焊缝应力云图如图15所示，立柱应力云图如图16所示。0.905680.807020.708360.60970.511040.412380.31370.215050.11630.0177(mm)0.005.00A图14优化后最大变形位置111.2698.94186.62374.30461.98649.66837.34925.03112.7130.39424(MPa)0.00010.00020.000(mm)5.00015.000图15优化后焊缝应力云图151.09147.39143.71402262116.6893.352248072.73970.02846.704Max23.380.055776(MPa)00020.00mm)图16优化后立柱应力云图横梁中间有立柱支撑之后，最大变形减小为0.9mm，可以满足使用要求。焊缝最大应力为111MPa，小于2 0 0 MPa，满足设计规范。立柱焊接区域最大应力为151MPa，大于许用应力。观察云图可知，最大应力位于立柱开槽位置，此处模型简化为尖角，根据弹性力学理论，尖角处的应力是无穷大的5，所以此处显示结果并不可信，此处并非需要关注的应力区域，所以忽略。通过使用Probe命令显示其余应力较大处的数值，可以看出均小于14 0 MPa，符合设计要求。（下转第3 8 页）382023,61(8)总第7 0 8 期机械制造M尔东）编辑A上接第3 4 页）岚）（编辑研究发计，得到冶金厂换轨装置。首先完成冶金厂换轨装置的结构设计，包括结构框架、行走系统、定位系统。根据使用需求，选择树莓派作为开发板，设计控制电路。利用OpenCV软件机器视觉库训练程序完成钢坏分类器的训练，通过检测试验验证钢坏识别的准确性。检测试验结果表明，笔者基于机器视觉设计的治金厂换轨装置，对钢坏分类准确率达到99.2 5%，对钢坏人库线上的自动分具有较高实用性，参考文献1徐裴裴.自动化时代J.通用机械，2 0 15（11）：6.2任越，杨俊杰，曹洪军，等.农村生活垃圾全自动全组分分类处理技术与应用J.农业工程学报，2 0 19,3 5（4）：248-254.3赵冬娥，吴瑞，赵宝国，等.高光谱成像的垃圾分类识别研究J.光谱学与光谱分析，2 0 19,3 9（3）：92 1-92 6.4WANG H B,TIAN Q,HU Z H,et al.Image FeatureDetection Based on OpenCV J.Journal of Research inScience and Engineering,2020,2(7):16-18.5GUO W C,LI W Q,YANG B,et al.A Novel Noninvasiveand Cost-effective Handheld Detector on Soluble SolidsContent of Fruits J.Journal of Food Engineering,2019,6结束语笔者对某型号电子设备升级换代后的吊装强度进行评估。针对吊环螺栓，使用理论计算方法校核强度，可以减小有限元分析工作量。通过使用有限元仿真方法，应用ANSYSWorkbench中的静力学模块，建立简化模型，发现结构薄弱点，提出针对性优化方案，并验证优化方案的效果。优化方案中所采用的柜体加强方法不仅对本项目有效，而且对类似结构的产品也具有作用，提供了一种优化思路。参考文献1刘鸿文.简明材料力学M.3版.北京：高等教育出版社，2016.2周炬，苏金英ANSYSWorkbench有限元分析实例详解上海电气控股集团有限公司主管、主办装备机械季刊邮发代号4-9 2 5上海电气技术季刊邮发代号4-92 4257:1-9.6BEASON R D,RIESCH R,KORICHEVA J.AURITA:AnAffordable,Autonomous Recording Device for AcousticMonitoring of Audible and Ultrasonic Frequencies J.Bioacoustics,2019,28(4):381-396.7LAI X Z,YANG T,WANG Z T,et al.IoT Implementation ofKalman Filter to Improve Accuracy of Air Quality Monitoringand Prediction J/0L.Applied Sciences,2019,9(9),https:/doi.org/10.3390/app9091831.8翁志远，程颖.直流电机驱动器在机床控制中的应用J.科技信息，2 0 12（3 0）：12 9.9景露霞.基于OpenCV的前方车辆识别与车距检测系统的设计与研究D.西安：长安大学,2 0 19.10刘志鹏.基于深度学习的目标检测算法研究D.无锡：江南大学,2 0 2 1.收稿时间：2 0 2 3-0 3作者简介：易飞（198 7 一），男，工程师，主要研究方向为机械设计制造及机器视觉应用。（静力学）M.北京：人民邮电出版社，2 0 17.3谢元丕，冯刚.ANSYS三维实体单元与板壳单元的组合建模研究J.机械设计，2 0 0 9,2 6（4）：5-7.4于士甲，张鹏，李彦斌，等.基于动态子模型法的结构动响应预示方法J.东南大学学报（自然科学版），2 0 17，4 7(2):325 330.5王鑫，戚其松.有限元分析中应力奇异问题的处理J.机械工程与自动化,2 0 14（3）：6 1-6 3.收椅时间：2 0 2 3作者简介：荣晶（198 9一），男，工程师，主要研究方向为电气电子产品机械结构设计。欢迎来稿欢迎订阅