新型液冷密閉機柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真分析

陳 弼,李高杰,朱曾輝,李 謙

(中國船舶集團有限公司第八研究院,南京 211153)

0 引 言

隨著艦載相控陣雷達技術(shù)的快速發(fā)展,密閉機柜電子器件熱流密度和散熱量快速提高,傳統(tǒng)的風冷方式密閉機柜散熱能力有限,與新裝備日益劇增的散熱需求形成技術(shù)瓶頸,難以滿足裝備后續(xù)發(fā)展的需求。液冷密閉機柜散熱技術(shù)將逐步成為艦載密閉機柜下一階段技術(shù)發(fā)展的重點方向。隨著新型艦船集中供冷技術(shù)的全面應用,機柜采用液冷式的高效散熱方案已具備條件[1]。

液冷機柜在運輸及工作中會隨平臺受到過載、沖擊等振動環(huán)境的影響,其結(jié)構(gòu)設(shè)計既要滿足組件安裝精度需求,又要保證在承受相關(guān)振動沖擊時的結(jié)構(gòu)剛強度[2]。本文創(chuàng)新性地采用圖乘法,根據(jù)沖擊載荷及自身重量引起的力矩及最大容許變形量Δ反推機柜慣性矩,快速確定機柜的截面參數(shù),然后基于有限元技術(shù),利用ANSYS軟件對該機柜進行仿真驗證,分析了結(jié)構(gòu)在承受過載、沖擊、隨機振動等載荷時的剛強度性能,將圖乘法計算的變形量與仿真結(jié)果進行比較,進而驗證了圖乘法設(shè)計的有效性。

1 液冷密閉機柜結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 機柜結(jié)構(gòu)原理及布局設(shè)計

液冷密閉機柜安裝液冷機箱,液冷機箱呈單列可擴展布局,液冷密閉機柜最多可容納3個液冷機箱[3],如圖1～4所示,主要結(jié)構(gòu)包括以下組成部分:柜體1底部設(shè)有進液管2、回液管3,柜體1內(nèi)部右側(cè)設(shè)有流量分配模塊4,液冷機箱5通過支架固定在柜體內(nèi)部,液冷機箱底、頂部設(shè)有快插水插頭6,通過管路與與流量分配模塊4相連。

圖1 液冷機柜正面視圖

圖2 液冷機柜內(nèi)部視圖

圖3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)(去除柜體)視圖

圖4 液冷機箱示意圖

該液冷機柜的工作原理具體如下:

(1)冷卻液從柜體1底部的進液管2進入流量分配模塊4;

(2)流量分配模塊4對冷卻液流量進行分配,通過管路輸送至液冷機箱5進液口;

(3)液冷機箱5頂、底部的快插水插頭6將冷卻液輸送進液冷機箱進液口;

(4)液冷機箱5內(nèi)部經(jīng)過固-液熱交換,帶走內(nèi)部熱量;

(5)冷卻液從液冷機箱5頂、底部回液口通過快插水插頭6回到流量分配模塊4,最終從回液管3排出。

1.2 機柜圖乘法設(shè)計

根據(jù)材料力學中莫爾定理,對以抗彎為主的結(jié)構(gòu)計算任意一點位移,可表示為

(1)

式(1)中的積分稱為莫爾積分。對于等截面結(jié)構(gòu),莫爾積分中的EI為常量,可以提出積分符號。但是對于變截面結(jié)構(gòu),可以將整個機柜離散為若干分段,使得I值相等的部分歸為一段,這樣每個分段中的EI便為常量,也可提出積分符號[4],于是式(1)可化為

(2)

根據(jù)材料力學知識,式(2)可表示為

(3)

利用式(3)結(jié)果,在變截面結(jié)構(gòu)中式(2)化為

(4)

式(4)即為圖乘法求變截面變形的計算公式[5]。

機柜材料為鑄鋁ZL101A-S-T5,參數(shù)如下:密度2700 kg/m3,彈性模量70 GPa,泊松比0.33,機殼質(zhì)量預估為152 kg,上裝設(shè)備預估為184 kg。

(7)

將式(5)～(7)代入式(2),得到機殼慣性矩要求I≥61 187 814 mm4。利用NX軟件計算現(xiàn)有機殼截面慣性矩,得到I=61 223 561mm4(如圖5),大于圖乘法求解要求,因此理論上總變形量Δ滿足液冷機箱內(nèi)模塊盲插要求。

圖5 機殼截面慣性矩

2 液冷密閉機柜有限元分析驗證

盡管機柜在使用之前均要進行環(huán)境試驗,但由于試驗條件所限,許多問題難以及時發(fā)現(xiàn),即使發(fā)現(xiàn)也經(jīng)常由于研制周期而難以修改,因為多次反復會嚴重耽誤研制進度。在復雜的振動環(huán)境中,為了保證結(jié)構(gòu)的完好性及其內(nèi)部電子設(shè)備的正常工作性能與研制進度,有必要從設(shè)計階段起就開展全面深入的結(jié)構(gòu)靜力學過載及動力仿真分析,為提高機柜的抗振動沖擊性能提供有效的依據(jù)和方法。

該模型坐標系定義如下:垂直于機柜安裝面為Z向,機柜開口方向為Y向,按照右手螺旋定則確定X向。模型包含645 581個單元、1 200 156個節(jié)點。

靜力學過載分析可以保證結(jié)構(gòu)在承受穩(wěn)態(tài)載荷時不出現(xiàn)損傷或破壞,但來自運輸、工作時的沖擊、隨機振動等動力學載荷對結(jié)構(gòu)力學的性能影響更大。本文基于模態(tài)動力學方法開展機柜結(jié)構(gòu)的動力學響應分析。

2.1 模態(tài)分析

可提取出模型的固有頻率和模態(tài)振型。對機柜施加約束,進行前6階模態(tài)的分析計算,其固有頻率如表1所示,前4階模態(tài)的固有頻率在50 Hz內(nèi)。為了解各模態(tài)振型規(guī)律,查看其各階頻率下對應的振型云圖[6],如圖6、圖7所示,可以看出:在50 Hz頻率以下機柜頂部及側(cè)面變形較大,在50 Hz頻率以上機柜側(cè)面與插箱變形較大。

表1 機柜固有頻率表(單位:Hz)

圖6 1～3階模態(tài)

圖7 4～6階模態(tài)

2.2 隨機振動分析

機柜在車載運輸過程中受到隨機振動激勵,須進行隨機載荷分析。針對改進模型,進一步開展隨機振動分析。考慮到機柜的Z向剛強度較好,此處僅計算X和Y方向。仿真振動條件見GJB150.16A-2009,后者規(guī)定的公路運輸環(huán)境如圖8、圖9所示。根據(jù)如圖10、圖11所示的功率譜密度加載。

圖8 公路運輸環(huán)境(橫側(cè)軸)

圖11 功率譜密度加載(縱向軸)

機柜在隨機振動載荷下的應力和位移分布如圖12、13所示。可以看出,機柜在承受橫向軸隨機振動時,最大3σ等效應力為63.74 MPa,最大3σ等效應變?yōu)?.31 mm;在承受縱向軸隨機振動時最大3σ等效應力為75.3 MPa,最大3σ等效應變?yōu)?.34 mm,最大應力出現(xiàn)在背部減震器安裝孔處,可局部加厚安裝凸臺以提高強度[3]。按照ZL101A-S-T5鑄鋁材料的屈服強度180 MPa、安全系數(shù)1.5校核,該機柜在公路運輸?shù)碾S機振動功率譜激勵下滿足設(shè)計要求。

圖12 X向隨機振動應力和應變云圖

圖13 Y向隨機振動應力和應變云圖

2.3 沖擊載荷分析

該液冷機柜安裝在艦船上,工作過程中受到海洋環(huán)境沖擊載荷的影響。本文采用瞬態(tài)動力學方法分析機柜在承受沖擊載荷時的強度。仿真加載條件如圖14所示,采用半正弦方式,脈沖時間為30 ms,峰值加速度為15 g,沖擊方向:±OX﹑±OY和±OZ。計算結(jié)果如圖15～18所示。

圖15 X向沖擊應力

圖16 Y向沖擊應力

圖17 Z向沖擊應力

圖18 最大應變處

可以看出,在X向沖擊下結(jié)構(gòu)最大應力為125.65 MPa,在Y向沖擊下結(jié)構(gòu)最大應力為86.7 MPa,在Z向沖擊下最大應力為51.8 MPa,最大應力均出現(xiàn)在液冷機箱安裝支架處,因此該機柜在Y、Z向具有很好的強度,但X向較差,按照ZL101A鑄鋁材料的屈服強度180 MPa、安全系數(shù)1.5校核,該機柜在工作環(huán)境沖擊載荷激勵下滿足設(shè)計要求,但薄弱環(huán)節(jié)須加強。由于安裝支架壁厚較薄,在沖擊載荷下沖擊響應較大,使得與之連接的螺栓孔受到較大應力,因此要對此處結(jié)構(gòu)進行局部加強改進,最大應變出現(xiàn)在X向,應變值為3.61 mm,略小于圖乘法計算總變形量Δ=4 mm,圖乘法計算值較為準確。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種新型液冷密閉機柜,機柜內(nèi)部空間布局合理,采用快插式水冷管路連接,對設(shè)備安裝的定位精度要求低。創(chuàng)新性地采用圖乘法,根據(jù)沖擊載荷及自身重量引起的力矩,結(jié)合最大容許變形量Δ反推機柜慣性矩,從而快速確定機柜的截面參數(shù),然后對該型液冷機柜在沖擊、隨機振動等載荷作用下進行動力學響應分析,通過比較仿真結(jié)果與圖乘法的計算值驗證了圖乘法設(shè)計的有效性。結(jié)果表明:圖乘法計算值與仿真結(jié)果相符,滿足剛強度設(shè)計要求,是一種有效的位移控制方法。

圖乘法結(jié)合有限元分析的設(shè)計方法可為相似產(chǎn)品的設(shè)計、驗證提供重要參考,可大幅提高設(shè)計效率,為機柜設(shè)計定型和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供可靠依據(jù),對于縮短產(chǎn)品研制周期、降低成本、減少返工等具有重要意義。