某型艦載密閉機柜動力學仿真分析

王帥

（中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安，710068）

0 引言

密閉機柜近些年來發展迅速，國內主流雷達廠的艦載雷達都已經開始使用。密閉機柜主要是將機柜設計成密封結構，與外界環境隔離。機柜內的熱量通過使用不同形式的換熱設備來進行熱量管理，如氣液交換器冷卻、集中供風冷卻、水路冷卻等。其核心是機柜內部環境和外部環境基本不交換，從而避免艙內空氣中的鹽霧、塵埃、霉菌和潮氣等有害物質入侵到機柜內部，對電子元器件造成危害[1-3]。本文設計了一種氣液交換器內置型密閉機柜，通過ANSYS軟件對其在艦載環境下的力學性能進行分析，對機柜結構的設計和實驗室試驗具有一定的指導意義。

密閉機柜外形符合GJB2825-1997《軍用雷達機柜、插箱、插件模塊化要求》的相關要求：高×寬×深=1600mm×668mm×550mm。機柜框架采用整體鑄造，水冷組合安裝在機柜內部下方。機柜與艦船的水路連接采用快鎖水接頭，圖1為設計機柜的整體布局示意圖。

圖1 密閉機柜布局示意圖

表1 振動應力分析材料對應表

圖2 簡化后的機柜有限元模型

1 模態分析

1.1 材料參數及網格劃分

模態分析的作用是確定產品的固有頻率和振型，是進行其他動力學分析的基礎和依據[4]。首先用UG進行有限元模型的建立和簡化，去掉螺釘、螺紋孔、凸臺、圓角等一些細小的特征，用于提高運算的可靠性和運算速度。然后將其導入ANSYS Workbench，確定材料參數如表1所示。

網格劃分采用了掃掠、單元大小控制及多區域劃分法分別對機柜框架、組合、底部減震器進行單獨劃分，以保證網格質量能夠滿足要求。生成整個機柜的有限元模型如圖2所示。連接約束處理：內部組件固定螺釘連接面與箱體施加粘接約束。

1.2 各階固有頻率及振型

模態分析得到機柜的前六階固有頻率和振型如圖3所示。前六階固有頻率分別為：57.1HZ，69.8HZ，131.9HZ,151.9HZ,170.5HZ, 177.5HZ。其中前兩階振型為機柜整體在YZ平面和XY平面的扭轉振動，變形為3mm左右；第三、第四、第六階振型分別表現為機柜背部減震器安裝板，機柜框架面板的局部模態，出現較大的變形，約為30-50mm，這是由于這些板跨度較大而剛度不足；第五階振型為機柜整體在XZ平面的扭轉振動，變形較小。圖上顯示第三、第四、第六階固有頻率均超過了100Hz，按照GJB150.16A-2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法》艦船隨機振動環境，在實際工況下是不會發生的，因此滿足振動要求。

2 沖擊分析

2.1 沖擊載荷施加

在實戰中由于電子設備載體艦載密閉機柜經常處于敵我雙方導彈、炮彈互相發射及艦艇破浪高速前進等強沖擊作用下工作，使得機柜抗強沖擊性能成為一項重要的設計指標[5]。按照GJB1060《艦船環境條件要求機械環境》乙類安裝設備垂向剛性連接施加沖擊譜（42g-5.5ms），而在沖擊過程中最大應力可能出現在沖擊結束之后，因此垂向沖擊時，總的計算時間為8ms，譜線如圖4所示。

2.2 沖擊應力及變形

圖4 沖擊加速度譜線

圖3 密閉機柜前六階模態圖

計算結果顯示，在整個沖擊過程中，頂端第一個組合與機柜相連定位銷的沖擊應力最大，為181.44MPa，出現最大應力的時間為3.4375ms。而組合上的掛耳螺釘沖擊應力最大為135.47MPa。最大沖擊應力均小于20鋼的屈服極限σ0.2=245MPa。其應力云圖如圖5所示。

圖6（a）（b）為機柜內部水冷機箱和組合的沖擊應力云圖，最大應力分別為31.6MPa和58.2MPa。組合框架材料5A06的屈服極限σ0.2為115MPa。對機柜在沖擊過程中的變形進行研究，機柜及其內部各組合的變形云圖如圖7所示，最大處的變形分別為0.4 mm和0.29mm，結構的相對變形很小。根據上述結果，可以看出密閉機柜在振動與沖擊試驗情況下能滿足要求。

圖5 定位銷與掛耳螺釘的沖擊應力云圖

圖6 水冷機箱和組合的沖擊應力云圖

圖7 機柜及內部組合的變形云圖

3 結論

本文通過Ansys有限元分析軟件，通過模擬試驗條件和加載方式對某型艦載密閉機柜進行了模態分析與抗沖擊性能分析。得到了各階固有頻率和振型，結果顯示，變形較大的固有頻率大于實際工況頻率，滿足振動要求。施加42g沖擊加速度后，在3.4375ms時頂端第一個組合與機柜框架連接處的定位銷與掛耳螺釘處應力較大，分別為181.44MPa和135.47MPa，但均未超過其材料的屈服極限。內部組合和水冷機箱的應力和變形均較小，結構設計符合沖擊要求。