抱桿安裝的通信設備動力特性分析

汲書強，孫國良，周金榮，黃維學

（保定泰爾通信設備抗震研究所，河北 保定 071051）

0 引 言

通信應用越來越廣泛，已經遍布人們的生產和生活，成為名副其實的生命線工程[1]。通信工程在地震中，不但要避免人員傷亡，做到通信建筑大震不倒，更要做到通信設備大震中不喪失基本通信功能，避免產生較大的經濟損失，保證地震時抗震救災和抗震搶險工作的順利開展。

地震波為一種復雜的隨機波，具有不可重復特性。根據國內外大量實震記錄得出的統計規律表明地震波的卓越頻率在1～35 Hz以內[2]。由于通信設備自身的結構特點，其前一兩階固有頻率多在地震波的卓越頻率范圍內。在震害發生時，如果設備的固有頻率與地震波的卓越頻率接近，就會產生共振。因此，通信設備的動力特性某些程度上反映了其抗震性能的好壞。設備的動力特性是指結構的固有頻率、阻尼比和振型等參數，是設備的固有特性，是進行設備抗震等動態載荷分析的必要基礎。結構的動力特性可以為在動態載荷中避免設備有過大的振動，評估載荷的放大作用提供參考，以便對結構進行動力學修改，適應地震等振動環境的要求。

通信設備種類越來越多，使用環境和安裝方式多種多樣，根據實際工程需要，現在有機房內對地連接、掛墻安裝、室外塔頂、抱桿等安裝方式[3]。3G網絡大量使用分布式基站架構[4]，分布式基站RRU（radio remote unit）室外安裝主要采用抱桿連接方式，但對其動力特性研究甚少。該文使用有限元分析和試驗分析相結合的方法，對抱桿式安裝的設備動力特性影響因素進行了分析。

1 試驗對象

該文選取的研究對象從結構組成上來說，分為抱桿、要安裝的設備、連接抱桿和設備的抱桿安裝件3個部分。

選取的某型號設備整機外形尺寸為680mm（高）×355.8mm（寬）×480mm（深），質量為 53kg。整機機箱由2個機箱組成，每個機箱主體材料為1.0mm的熱鍍鋅板，右側4根橫梁采用1.5 mm的熱鍍鋅板，頂罩和后罩均采用1.0mm厚的防銹鋁板。機箱主要通過鉚接成型，零件間有部分焊接點，兩機箱間通過螺釘聯結固定在一起，設備采用抱桿正面連接安裝。試驗中模擬抱桿是高度2000mm，直徑80mm，壁厚5 mm的鋼管，抱桿底板是500 mm（長）×500 mm（寬），壁厚10mm的鋼板，抱桿總質量為38kg，連接工藝為焊接。

此次試驗中抱桿安裝件（如圖1）尺寸為610 mm（高）×285mm（寬）×403mm（底部安裝橫梁長）。抱桿安裝件是由固定板、加強梁、橫梁和2個L型支架組成，固定板、加強梁、橫梁均為2.0 mm厚的熱鍍鋅板，L型支架為3.0mm厚冷軋板，L型支架折邊處焊接，并有加強板螺釘連接。設備通過抱桿安裝件與抱桿連接。

圖1 抱桿安裝件示意圖

圖2 通信工程中常用的抱桿安裝方式

通信工程建設中常采用的抱桿有配重式抱桿、鐵塔抱桿、附墻式抱桿、鐵塔平臺延伸抱桿等多種方式[5]，如圖2所示。該文把工程實際中抱桿作了一個統一和簡化，設定抱桿底部與地面直接相連接，設備底面與地面的安裝距離為1 000 mm，以研究和分析抱桿與設備組成的系統之間的聯系和影響。

2 有限元分析

根據模態分析得到的固有頻率及相應的振型，判斷結構在地震作用下是否會發生共振。如果設備某階振型的固有頻率與地震波的卓越頻率接近，那么設備在該頻率下就可能發生相應振型的強烈共振，從而導致設備功能中斷，發生損壞。

2.1 模態分析理論

由彈性力學有限元法可知，抱桿式安裝的通信設備運動方程可以寫成

式中：[M]，[C]，[K]——質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；

{F（t）}——結構激勵向量，{F（t）}={f1，f2，…，fn}。若去掉激勵，忽略阻尼，則得到典型的結構自由振動的運動方程為

令{X}={φ}sin（ωt+φ），則有

將式（3）代入式（2），可得結構振動的特征方程

模態分析就是計算該特征方程的特征值及其對應的特征向量{Φi}。對此廣義特征值問題，ANSYS11.0軟件提供了7種求解方法，該文采用Subspace法求解該特征方程[6]。

2.2 模型建立

文中采用SolidWorks 2007建立設備的實體模型，在ANSYS中導入進行動力特性分析。電信設備內部插接件構成復雜，建模時，忽略了機箱、抱桿和安裝架中一些倒角和工藝小孔等特征，對插接的電路板和一些電子元器件則進行了相同的質量采用平均分布的方法進行模擬，從而使得建立的設備模型作了一定程度的簡化，有利于有限元分析時模型的網格劃分，提高計算效率，而又不影響設備的結構特性[7-8]。分析時，模擬電信工程中的實際安裝方式，抱桿底部固定。

安裝完整的實體模型共含有88個實體模塊，分析節點193545個，劃分網格共計99035個。計算所得簡化模型總質量約為98.72kg，其中抱桿約38kg，分布式基站質量約為53kg。與前述介紹的實際設備比較可知，該實體簡化模型在各種情況下的質量參數與設備實際質量基本一致。在有限元模態分析中，主要選用的是Solid45號單元，網格劃分采用自由網格劃分，連接方式按照工程實際進行模擬。分布式基站抱桿安裝建立的模型如圖3所示。

圖3 設備有限元分析中建立的模型

2.3 動力響應影響參數分析

前5階計算模態固有頻率結果見表1。

實體簡化模型的一階固有頻率為6.885 Hz，振型為X方向一階彎曲，振型如圖4所示。

實體簡化模型的二階固有頻率為7.156 9 Hz，振型為Z方向一階彎曲，振型如圖5所示。

圖4 模型一階振型

表1 前5階計算模態固有頻率

圖5 模型二階模型

圖6 設備試驗時的安裝圖

3 試驗研究

3.1 試驗設備及方法

在有限元分析基礎上，依據YD5083-2005《電信設備抗地震性能檢測規范》對該設備進行了大型液壓振動臺試驗研究。液壓振動臺工作頻率范圍是1～35Hz，最大載荷2t，最大加載加速度為2g。把設備按照工程連接方式安裝在抱桿上，抱桿底部用4個M12螺栓直接與臺面連接至振動臺上，如圖6所示。

此次試驗的動力特性測試所采用方法為白噪聲激振法，輸入的頻率范圍為0.5～35Hz。考慮到輸入加速度幅值對通信設備在動力特性測試過程中不應受到損害，取其加速度值為0.1 g，激振持續時間為120s。1個加速度傳感器布置在振動臺臺面上，另外3個加速度傳感器均勻分布在設備的主框架上，共計布置了4個測點。試驗中選用了美國ENDEVCO公司的變電容式加速度傳感器，量程為±10 g，測量頻率范圍為 0～500Hz。

3.2 試驗結果

圖7為被測設備X方向一階彎曲的固有頻率曲線，圖8為Z方向一階彎曲的固有頻率曲線，分別是 5.468Hz和 6.249Hz。

4 結束語

通信設備的抗震性能取決于設備本機的抗震性能和安裝系統兩方面。通信設備的固有頻率大都為1～10 Hz，與地震波的卓越頻率非常接近，容易在地震中產生共振，必須在設計中提高其固有頻率，減少地震的影響。

從總體上說，設備與安裝的抱桿的相互作用對自身的動力特性影響較大。自身頻率高的抱桿，可以有效提升整個系統的動力特性，但抱桿的安裝件的剛度直接決定了設備的動力反饋作用。采用抱桿安裝方式的通信設備的固有頻率取決于抱桿、安裝設備的質量和安裝高度3個方面。實際工程中采用的抱桿對系統的固有頻率影響最大，抱桿可以較大程度地提升整個系統的固有頻率。設備在抱桿上的安裝高度對整個系統的動力特性影響也較大，通過比較分析，建議在工程實際中采用剛度較高的抱桿，質量大的設備盡量安裝在抱桿的下段，以改善系統的動力特性，增強系統抗震性能。

從模態分析和試驗分析得到的結果可以看出，文中采取的方法得出的頻率誤差都在允許的誤差范圍內，表明簡化的有限元模型和對原型設備采用的試驗方法都能夠較準確地反映出設備的振動特性。在此基礎上可以進行設備的改進設計，進一步提高設備的抗震性能。

[1] 汲書強，周金榮.通信工程建設的抗震設防[J].當代通信，2006，13（6）：69-70.

[2]YD5083—2005電信設備抗地震性能檢測規范[S].北京：北京郵電大學出版社，2006.

[3]YD5059—2005電信設備安裝抗震設計規范[S].北京：北京郵電大學出版社，2006.

[4] 張范明，黎建波.分布式基站：3G建設中大顯身手[J].山東通信技術，2009，29（1）：46-47.

[5] 中國電子報.全新GSM建網體驗[EB/OL].[2010-09-15].http：∥news.ccidnet.com/art/1032/20071024/1252141_1.html.

[6] 秦宇.ANSYS11.0基礎與實例教程[M].北京：化學工業出版社，2009.

[7] 李長春.SolidWorks2007基礎教程[M].北京：北京大學出版社，2009.

[8] 詹迪維.SolidWorks快速入門教程（2007）[M].北京：機械工業出版社，2008.