導 語
隨著我國軌道交通行業的高速發展，電力機車司機室內電子裝置的安全性和可靠性得到了越來越多的重視，本文介紹了一種電力機車微機櫃的結構，並用有限元分析模擬了其結構強度和剛度的可靠性，以此說明櫃體結構設計合理。
近年來，我國鐵路裝備製造業發展迅速，對電力機車內部的櫃體結構效能提出了更高的要求，電子裝置的機械結構伴隨著軌道交通行業的蓬勃發展，形成了一個學科，電子裝置的結構大部分是由鈑金件折彎焊接起來的。
櫃體內部安裝有高密度的電子元器件，櫃體作為承載電子器件的基礎結構，其強度、剛度可靠才能保證裝置的正常執行。本文介紹了一種微機櫃的結構組成，並且建立了有限元模型，分析了其強度和剛度，為裝置的實際安裝提供了資料支援。
微機櫃的總體結構設計
微機櫃由主體框架、A 和B 組外掛箱（6U 插箱）、風扇冷卻裝置、焊接散熱器組成。圖1 和圖2 是微機櫃的三維結構模型圖和內部組成圖。
圖1 微機櫃三維結構模型圖
圖2 微機櫃的內部組成圖
1-主體框架，2-放置A 組外掛箱，3-風扇冷卻裝置，4-放置B 組外掛箱，5-後面板元件，6-散熱罩（拆除散熱罩可以看到焊接散熱器）
微機櫃主體框架結構由2 ～4mm 厚度的優質冷軋薄鋼板折彎焊接而成，微機櫃櫃體主要結構引數為，外形尺寸為910mm×870mm×553mm；櫃體主體框架重約100kg，A、B 組外掛箱各重約30kg，風扇冷卻裝置重約10kg。焊接標準滿足《BS EN1508-1-2007鐵路上的應用-鐵路車輛及其部件的焊接》。
理論基礎
在彈性力學中關於聖維南原理的內容是：分佈於彈性體上一小塊面積（或體積）內的荷載所引起的物體中的應力，在離荷載作用區稍遠的地方，基本上只與同荷載的合力和合力矩有關；荷載的具體分佈隻影響荷載作用區附近的應力分佈。還有一種等價的提法：如果作用在彈性體某一小塊面積（或體積）上的荷載的合力和合力矩都等於零，則在遠離荷載作用區的地方，應力就小得幾乎等於零。
在材料力學中四大強度理論，可以統一用公式表達：σr ≤［σ］。式中σr 表示計算應力；［σ］表示材料的許用應力。
建立有限元模型
微機櫃櫃體材料牌號為Q235A 和SUS304，其技術引數見表1。
表1 不同微機櫃櫃體材料的技術引數
靜力學分析是用來分析計算，結構在受到固定不變載荷的作用時所產生的響應，包括結構的形變、應力和應變等。有限元分析工程包括三個階段：前處理階段、求解階段、後處理階段。
前處理階段
有限元模型要適當簡化，去掉一些不影響整體結構分析的零部件，本次分析櫃體去掉的零件有：櫃門門板、散熱器外罩、後面板元件、風扇冷卻裝置、風扇外罩。
網格劃分過程中，採用六邊形網格，最終網格單元數量為143362 個，節點數量為1040851 個，網格劃分圖如圖3 所示。
圖3 微機櫃櫃體網格劃分圖
施加約束條件。
約束條件為微機櫃櫃體底板4個安裝孔處圓柱面約束（Cylindrical Support），徑向約束和法向約束，如圖4所示。
圖4 微機櫃櫃體底部約束條件圖
施加固定載荷。
在放置A、B 組外掛箱處的橫樑上各施加75N 的壓力，在放置風扇冷卻裝置的橫樑上各施加50N 的壓力，包括重力加速度-Y 方向，如圖5 所示。
圖5 櫃體施加約束條件和固定載荷
求解階段
透過有限元軟體進行求解solve。
後處理階段
從微機櫃主體框架位移雲圖（圖6）中，可以看出櫃體最小變形發生在櫃體後下側，位移最大發生在放置A 組外掛箱的中間梁部位處，最大位移值0。23mm，數值較小，可以忽略不計。
圖6 微機櫃主體框架位移雲圖
從微機櫃主體框架應力雲圖（圖7）中，可以看出櫃體固定約束端的長圓孔處發生了應力集中現象，但是根據聖維南原理可知，固定約束處的應力值不可信。
圖7 微機櫃主體框架應力雲圖
根據結構強度經驗判斷，櫃體應力的最大值的應該出現在放置外掛箱的位置處，從區域性應力雲圖（圖8）中看到，整體櫃體應力值除了固定約束處的應力值在200MPa 附近，其餘部位的應力值均未超過材料Q235A 的屈服強度235MPa。在實際應用中，我們只關心一些危險點，只要這些危險點不存在強度問題，我們就認為整個構件是沒有問題的。綜上所述，櫃體結構設計合理。
圖8 微機櫃主體框架應力區域性放大圖
結束語
本文根據微機櫃的結構特性，介紹了鈑金類裝配體的有限元建模過程，包括有限元模型的簡化處理、網格劃分等。
運用有限元軟體對其進行靜強度分析，得到了櫃體的位移雲圖和應力分佈雲圖。且應力值均小於材料的屈服強度，滿足靜強度要求。
分析結果證明了櫃體結構強度完全滿足使用要求，而且有很大的最佳化設計的空間，這也為對櫃體進行拓撲結構最佳化設計提供一定的參考。下一步將會進行櫃體的拓撲最佳化設計、模態分析、散熱分析等。
——摘自《鈑金與製作》 2021年第7期