电信设备结构优化与抗震性能提高

朱建华，刘勇志，钟 浩，金 敏

（深圳市计量质量检测研究院，深圳 518055）

电信设备结构优化与抗震性能提高

朱建华，刘勇志，钟 浩，金 敏

（深圳市计量质量检测研究院，深圳 518055）

模拟地震试验是考察电信设备抗地震性能的一项重要方式，其反映了电信设备在地震中抵抗地震破坏的能力，进而直接影响了国民经济等方面的安全水平。电信设备的主体框架的刚性直接影响着设备的抗地震能力，设备的固有频率可以较为直观的体现出设备的刚性特征。通过利用ANSYS软件对常见形状电信设备的主体框架进行仿真分析，得到提高主体结构中矩形框架的稳定性和改变主体框架的横截面形状均可以很好地改善设备的固有频率。通过对改善前后相关实例进行实际的地震模拟测试，试验结果分析表明了ANSYS仿真的正确性。为地震模拟试验的相关研究提供了一种思路，同时也减少了利用大量实际模拟测试得到所需试验数据的工作量和经济成本。

初始响应；抗震性能；固有频率；结构优化；变形量；低阶模型

引言

频度高、强度大、震源浅、分布广、震害严重是我国地震活动的基本特点。基于此，我国已制定了相关的法律法规来保障抗震设防工作的开展，有关行业也制订了标准、规范去指导实现抗震性能的提高。通信作为生命线工程之一，自然也在此列。而通信工程由各类型的电信设备通过物理上、逻辑上链接组成，所以最终通信系统抗震性能的提高将必然着重于具体的电信设备。电信设备结构的优化与抗震性能的提高息息相关。

通常地，电信设备服役于特点的支撑结构当中，即电信设备一般分为三类，一类是自成一个机柜形式的设备，也称机柜级；二类是需要安装于特定机柜里的设备，也称子架级设备；三类是安装于墙面或杆上的设备，也称挂墙式设备。

基于ETSI EN 300019-2-3、ETSI EN 300019-2-4的研究成果，如电信设备共振搜索的结果显示未有低于5 Hz的共振频率，并且已经通过了正弦扫频试验（测试条件见表1），则抗震性能试验可以忽略，即认为该产品已通过了抗震性能试验。

确切来说，伴随着工艺水平的提高，单个电信设备的共振频率已远远大于5 Hz这个水平了，经过对国内知名企业产品的历史试验数据总结已得到确认。但往往因产品的支撑结构的放大作用，致使在抗震验证试验过程中出现失效。同时，也因为电信设备以机柜形式或服役于特定的机柜所占的比例较高，因此，这里只阐述基于机柜、机架的电信设备的结构优化设计。同时借助ANSY软件进行结构优化分析。

1 实例分析

从现有的主要的关于电信设备抗震验证试验的标准规范来看，如YD 5083、ETSI EN 300019-2-3、ETSI EN 300019-2-4、GR-63-CORE等，在规范的全面性、对过程监测要求的明确性的体现上，规范GR-63-CORE在这些方面是较为全面的。因此本文将主要依据GR-63-CORE规范进行相关的实例分析。

一般情况下，抗震试验主要由两个试验组成，一个是初始响应检测，另一个是抗震验证试验。具体试验条件如下：

1）初始响应检测（样品共振频率确定），试验条件见表2。

2）抗震验证试验，要求响应谱和试验条件如图1，实例中选取严酷等级Zone 4。

表1 正弦扫频试验条件

表2 初始响应检查条件

在抗震试验中为了更好地模拟实际的地震对产品的影响，要求样品固定在地震台上时应尽可能的与实际情况相似。不同的安装方式对样品的抗震性能有着很大的影响，此实例中采用了大多数样品的安装方式，即采取螺栓固定机框四角的方式。在试验过程中，依据规范GR-63-CORE的要求，在测试过程中需对样品上，中，下三部位的响应加速度值变化情况进行测量。

图2为初始响应检测（共振频率确定）中样品上、中、下三个部位的响应加速度值随扫描频率增大变化的曲线图。由图中可看到样品上、中部位监测到的响应加速度值均出现一个最高峰值，此时对应的扫描频率即为样品的固有频率，检测到的共振频率为2.499 Hz。由于地震波是一种低频率波，一般来说，样品固有频率较低时很容易受到地震波的影响，抗震性能差。规范GR-63-CORE中明确要求样品的固有频率应大于2 Hz，最好大于6 Hz。因此，根据初始响应检测得到的样品固有频率分析中可以估计样品的抗震性能不是很好。在实际的测试过程中，样品上下四角的连接处均出现了撕裂的现象。

图1 要求响应谱及离散频率和加速度

2 结构设计优化分析

从上述案例分析，共振频率是影响设备抗地震性能的关键因素之一。这主要是因为地震振动是一种低频震动，振动频率在1～35 Hz内具有最大能量，1～10 Hz的频率段对产品更具破坏性。提高产品的固有频率是提高产品整体抗震性能的思路之一，而提高产品固有频率主要是提高产品的主体结构的刚性，即提高产品主体结构的抗弯曲、抗扭转的特性。

图3是机柜式电信设备的基本形态，这里先假定其立柱为矩形空心截面。

沿着上述两条思路，对照机柜式电信设备的基本形态，可以先通过改变立柱的尺寸来做一个尝试，用ANSYS分析软件来观察模型的低阶振型。

图2 初始响应检测试验谱图

从图3和图4两个模型低阶振型可知，30 mm×30 mm模型的一阶固有频率为7.774 92 Hz，50 mm×50 mm模型的一阶固有频率为13.208 6 Hz。因此，改变立柱的尺寸，是可以有效地提高产品的固有频率的。但是，从模态分析的结果也显示，两个模型所对应的低阶形变量较大，分别为0.291 096和0.222 824。这也就意味着，要保证结构的完整，立柱需要有足够的抗弯特性，这就对已经选定了钢作为主要材料的现状提出更苛刻的要求，其难度可想而知。

这里再尝试着改变立柱的截面形状，变更后的截面形状如图5所示。

从图6可知，通过更改截面形状，可以提高产品的固有频率，为13.170 7 Hz。但同样不可避免的是，模态分析也显示该低阶振型的变形量也达到了0.260 99。

综合以上，增大立柱的尺寸和改变界面的形状，都可以达到提高产品固有频率的作用。但这远远不够，限定立柱的形变将成为主要攻克的方向，毕竟，使用时合理载重配备、合理的质量分布可以很好地限制立柱的扭转响应值。

纯粹的矩形，其结构是不稳定的，几何学中明确说明，三角形具有稳定性。因此，尝试在所有的四边形中添加三角块进行约束，再观察其低阶振型。

图3 30mm×30mm模型低阶振型

图4 50mm×50mm模型低阶振型

图5 变更的截面形状

图6 变更截面形状模型低阶振型

图7 一阶振型

图8 二阶振型

图9 三阶振型

图10 四阶振型

图11 一阶振型

表3 添加前后ANSYS仿真数据

ANSYS分析结果：30 mm×30 mm模型的一阶固有频率为7.901 44 Hz，变形量为0.291 096；50 mm×50 mm模型的一阶固有频率为13.156 8 Hz，变形量为0.222 824；变更截面形状模型的一阶固有频率为13.412 Hz变形量为0.260 99。添加前后的比较数据见表3。

通过对上述数据比较分析可知（见表3所示），添加前和添加后，型式A～型式C在固有频率上的变化均不大。但添加后，其变形量均同向减小。由此可知，约束三角铁的添加是非常有必要的。

对工艺的了解，如型式C的截面形状在使用时被广泛采用。以下图7～图10是型式C截面形状的前四阶振型。

从上图可知，其第一阶至第四阶固有频率分别为：13.376 4 Hz、15.320 4 Hz、19.281 8 Hz、45.455 4 Hz。在四阶振型中，我们可以清晰地知道，减少变形，避免焊接处出现应力过度集中，依然是结构优化中的主要工作。第三阶振型，主体立柱出现了较大变形；第四阶振型，顶部的横梁出现了皱褶状变形。这都可以继续通过改变其截面的尺寸而得到优化。在第五阶振型中（第五阶固有频率已经超出50 Hz），立柱出现了膨胀形式的变形，由此也为结构优化提供了方向，立柱的前后同样是需要进行牵引和约束。

通过保持原有的截面形状，增加截面的尺寸、增加横梁的尺寸的振型图。原先的问题得到了很好的解决。其第四阶固有频率就已经超过50 Hz，因此，对更高阶的固有频率进行分析已没有意义。

同样地，经过对立柱前后立柱的牵引，从图11～图15振型的变形特性得到了约束，这必将有益于结构抗震性能的提高。

综上所述，电信设备结构的优化设计应着重从以下四点进行：

图12 二阶振型

图13 三阶振型

图14 四阶振型

图15 五阶振型

图16 初始响应检测及抗震验证试验

图17 抗震验证试验后样品状态

图18 初始响应检测试验谱图

1）改变结构尺寸；

2）改变截面形状；

3）提高矩形结构的稳定性；

4）提高矩形窗的分割数等。

3 结构优化后实例验证分析

通过对常见机框式电信设备结构仿真分析，可知道在改变机框主体结构的横截面形状可以很好的提高机框的固有频率。此外，提高矩形结构的稳定性同样也可以提高机框的固有频率。基于此仿真分析的结论，在第1节中实例机框的前后矩形框架中间增加两块刚板连接，同时在机框的焊接处辅以一个三角结构（见图16和图17），以便提高整体框架的刚性。然后对改进后的机框进行和第1节中相同条件的地震试验。图18所示为改进后机框进行初始响应检测时所监测到的机框上、中、下部分响应加速度随频率变化曲线。从曲线中可以看到，机框的固有频率为6.851 7 Hz，相比之前的固有频率2.499 Hz，说明改善后机框抗地震性能应得到了很大的提高。在后续的抗震验证试验中，机框的抗地震性能确实得到了明显的提高，未出现撕裂现象（见图17）。

4 总结

对于抗震性能，其基础在于结构的自身特性，即结构特性的决定了抗震性能。经过对优化前后案例的分析，试验证明，改变截面的尺寸、改变截面的形状、分割过大的矩形窗等均可以实现结构的优化从而提高产品的抗震性能。

ANSYS作为现代工程分析中的一个重要仿真工具，对于提高设计效率、缩短设计周期均有出色的表现。

[1] YD 5083, 电信设备抗地震性能检测规范[S].

[2] GR-63-CORE NEBSTM, Requirements： Physical Protection[S].

[3] ETSI EN 30019-2-3, Environmental Engineering (EE); Environmental conditions and environmental tests for telecommunications equipment; Part 2-3： Specification of environmental tests; Stationary use at weatherprotected locations[S].

[4] ETSI EN 300019-2-4, Environmental Engineering (EE); Environmental conditions and environmental tests for telecommunications equipment; Part 2-4： Specification of environmental tests; Stationary use at non-weatherprotected locations[S].

[5]胡聿贤.地震工程学[M].北京：地震出版社, 2006.

[6]吕琳. ANSYS有限元结构分析及实例解析[M].北京：化学工业出版社，2014.

[7]朱健.结构动力学原理与地震易损性分析[M].北京：科学出版社, 2013.

朱建华（1972-- ），男，广东梅州人，高级工程师，硕士研究生，从事环境可靠性试验与研究。

Structure Optimization and Anti-seismic Property Improvement of Telecommunication Equipment

ZHU Jian-hua, LIU Yong-zhi, ZHONG Hao, JIN Min
(Shenzhen Academy of Metrology & Quality Inspection, Shenzhen 518055)

The simulated earthquake test is an important way to inspect the anti-seismic property of the telecommunication equipment, which reflects the ability of the telecommunication equipment to resist the earthquake damage, and then directly affects the safety level of the national economy, etc. The rigidity of the main frame of the telecommunication equipment directly influences the seismic property of the equipment, and the natural frequency of the equipment can be more intuitive to reflect the rigidity of the equipment. Using the ANSYS to simulate the main frame of the common shape telecommunication equipment, the stability of the rectangular frame and the cross section shape of the main frame can be improved. Through the improvement of the relevant examples to carry out the actual earthquake simulation test, the test results analysis shows that the ANSYS simulation is correct. It provides a way of thinking for the related research of seismic simulation experiments, and also reduces the workload and economic cost of the required test data by using a large number of actual simulation tests.

initial response; anti-seismic property; natural frequency; structure optimization; deformation; low order model

TB99

B

1004-7204（2015）04-0030-06