基于有限元分析的機箱結構設計與改進

魏自銀

（中電科思儀科技（安徽）有限公司，安徽 蚌埠 233000）

1 引言

當今機箱設備在實際工業應用中的范圍很廣，且大多數采取鈑金作為主體結構。使用鈑金結構設計主要考慮以下幾點：一是加工成型性好，靈活度高；二是可作為設備的承重件，具備一定的剛度，可承受一定的作用力（包括在運動或轉移過程中所受的力）；三是其具有合理的成本及較短的加工周期，因此得到設計人員的青睞。鈑金結構在實際設計過程中，需要結合材料學、力學、機械工程學、工業設計等多學科進行綜合設計，方能滿足功能性要求。本文根據某機箱搭載模塊及聯調要求，設計一種鈑金機箱結構，并通過有限元分析方法，指導后續設計。

2 機箱整體結構設計

2.1 機箱結構設計

根據儀器的功能及使用要求，機箱整體結構由機頭組件、底板、承載組件、支撐板，左右連接板，圍板A、圍板B組件及底腳等構成；其中機頭因造型需求設計為壓鑄鋁成型，機頭組件重量約3kg，其余結構件均為鈑金成型；8組測試模塊均為相同且獨立的1U標準高度箱體，重量約9.8 kg。整體結構見圖1，承載組件由7組折彎件與1組平板（帶翻邊折彎）連接制成，承載組件裝入后，折彎件左右對稱結構形式便于測試模塊的裝入；底板與圍板A、B為U型折彎件，支撐板為四周翻邊帶法蘭型鈑金件，中間開槽便于8組測試模塊接線。裝配時需要先將承載組件固定至底板上，前端再通過支撐板將兩者連接成主體。

承載結構主要包含底板、支撐板、承載組件及圍板A、圍板B；鈑金機箱常用的兩種材料為鋁合金板與Q235鋼板，其材料屬性分別如表1所示。

圖1 整機結構設計與組成示意

表1 兩種材料特性列表

2.2 機箱承載結構的受力分析

為降低整機重量，且保證該承載結構能夠擁有較高的強度和剛度，需要對承載結構進行受力分析，并確定支撐板、底板及承載組件的材質。測試儀使用過程中處于靜止狀態，本文僅進行靜力學分析。靜力學主要用于分析固定載荷作用下的結構響應，不考慮系統的慣性及阻尼，其中線性靜力學是靜力學中最基礎的一類學科。

根據線性靜力學的定義可知，系統速度與加速度為0，載荷恒定，所以其物理方程可表示為下式[4]：

其中K為系統剛度矩陣，X分別表示位移，F為外力。

在線性靜力分析中必須滿足以下三個假設條件：（1）小變形，系統發生的變形相對于系統整體尺寸非常小，變形并不顯著影響整個系統的剛度；（2）線性材料，線性靜力學問題考慮的是材料在彈性變形階段的行為，即滿足應力與應變呈正比關系；（3）固定載荷，線性靜力學問題中假設載荷和約束并不隨時間發生變化，載荷的加載過程是一個非常均勻緩慢的過程。

本設計中連接后的主體是核心承載結構，根據機箱結構可知主體兩側需承受測試模塊的重力作用，前部還受到機頭組件部分的重力作用。由于承載結構較復雜，尤其變形量的大小會影響整體剛度強弱和最終可行性，難以采用理論計算的方式進行求解，后文將采用有限元仿真計算。

3 仿真分析與結果

3.1 結構模型的建立

為簡化計算量，首先將在Creo5.0中建立的整機模型進行簡化，刪減測試模塊、機頭組件、散熱孔、螺釘等細節部分，只保留受力主體結構，另存為Parasolid（.*x_t）格式，導入到有限元軟件中，如圖2所示。

3.2 材料屬性設置與網格劃分

將所有構件賦予鋁材，并進行網格劃分，得到網格模型如圖2所示。

圖2 承載結構簡化模型與網格劃分

3.3 承載結構主體受力添加

為了保證足夠的安全系數，在豎直方向對每塊承載折彎件上表面施加100N的壓力，將支撐板的翻邊內壁面施加30N的偏載壓力；再考慮重力作用，最后將底腳平面設置為固定約束。見圖3。

圖3 承載結構主體受力示意圖

圖4 全鋁框架下總體變形云圖

3.4 有限元分析結果

根據上述邊界條件及載荷，通過計算得出全鋁材料承載組件總體變形云圖，如圖4所示。可見全鋁結構會導致底板中心變形量達將近0.9mm，該數值相對于結構尺寸而言不能忽略，機箱剛度較差，需對此薄弱區域進行改進。

4 仿真優化及結構改進

將底板及承載組件變更為Q235鋼材質，適當減小材料厚度，其余零件仍為鋁合金，劃分網格后，重新進行仿真計算結果如圖5。

圖5 優化后承載結構總體變形云圖

由圖5可見，變形量已經有了較大的改善，測試模塊滿載情況下最大變形為0.29mm，承重結構的剛度已顯著提高。后續設計時可考慮通過增加橫梁進一步提高機箱的剛度；另外鋼板材料的選擇在一定程度上增加了整機的重量，后期將考慮增開散熱孔等減料的方式優化結構。

5 結語

本文提供了基于有限元仿真的機箱承載結構設計案例。依托結構設計模型的建立，對不同材料下的承載結構進行有限元仿真與分析，發現薄弱之處，是以往設計經驗無法比擬的。仿真數據對結構優化研究具備較高的實際指導意義，為設計的可靠性及可行性提供理論依據。