泡沫铝减振机房的随机振动分析

泡沫铝减振机房的随机振动分析

0减振器匹配不当目前，抗恶劣环境计算机的抗衰减能力主要通过减少轴振结构进行。通常，抗振器通常安装在扬声器箱的底部。减振器与机箱的重量要匹配,如果匹配不当,会导致计算机在使用过程中达到共振,以至于对机箱内部电子设备产生破坏,同时,减振器需要较大的安装空间,使得机箱整体体积比较大,不利于对空间要求较为苛刻的应用场合。随着吸振材料的发展,吸振材料已具备良好的减振、抗冲击的吸能性能,吸振材料的合理运用正成为一条重要的电子设备减振途径,这也使得开发一种无需减振器的抗恶劣环境计算机机箱成为可能。1设计与实现电子设备正常工作时,对机箱的抗振性能有很高的要求,机箱抗振设计成为抗恶劣环境计算机机箱设计的关键部分。1.1其他部件与设备的连接传统抗恶劣环境计算机机箱一般采用如图1所示的结构,该结构主要由机箱、悬置内框架和减振器组成,除减振器以外,其他部件主要采用硬铝合金材料。电子设备安装在内框架上,内框架通过减振器与机箱相连接。外部激励对内框架的振动与冲击是通过减振器减缓,以控制内框架上电子设备的振动频率和幅度,从而保证内部设备的安全使用。传统设计要求在机箱设计时,必须选择合适规格的减振器以满足电子设备的抗振要求,但对于机箱的体积却很难进一步缩小。1.2抗振材料泡沫铝泡沫铝作为一种典型的多孔吸振材料,具有密度小、比吸能高等优点,但是,泡沫铝自身抗拉、压、弯、扭等再和的能力较差,易发生断裂破坏或有碎屑产生,不适于单独用作承载结构。也就是说,虽然泡沫铝能满足抗恶劣环境计算机机箱抗振的要求,但由于其不够“坚固”不适合单独作为机箱壁的材料。而采用“铝板-泡沫铝-铝板”的“三明治”结构,将泡沫铝填充入两层铝板之间构成机箱壁,这样即能在确保机箱减振效果的同时,保证了机箱的坚固,又舍弃减震器的使用从而减少机箱体积。1.2.1孔隙率对材料损耗的影响在抗恶劣环境计算机机箱的抗振设计时,应重点关注泡沫铝的阻尼性能,阻尼性能强,机械振动就越能被机箱壁吸收而减弱,从而不会影响机箱内壁连接的电子设备。当环境存在机械振动时,泡沫铝材料内部的“孔”基本等同于球形反射体,反射振动波。当孔的大小一定时,机械振动在材料内部的传播,会随着材料孔隙率的增大,受到更多“孔”的弹性响应以及孔壁的多重反射的影响,即振动波的透射率会随着孔隙率的增大而减小。材料内孔隙率越大,其对机械振动的损耗也越大,则该材料的损耗因子也越大。泡沫铝的阻尼特性可描述为复阻尼模型:式中:η=E″/E',E″为复模量、E'为储存模量、η为损耗因子。在真实结构中,结构的模态阻尼比与材料损耗因子的关系式为ξi≈0.5η(ωi),式中ξi为结构的模态阻尼比,η(ωi)为材料的损耗因子。损耗因子与频率有关系,但在500Hz以下,损耗因子变化不大,故可取常数。选择结构模态阻尼比越小的泡沫铝材料,机箱减振效果越佳。设计中使用孔隙率为41%,损耗因子为0.02的泡沫铝材料。1.2.2吸振设备的设计基于动力学和机械设计理论,结合材料特性,泡沫铝减振机箱设计见图2,机箱的外形尺寸为300mm×400mm×200mm。机械材料性能参数见表1。2比较力学能的能力2.1有限模型基于有限元理论,对减振机箱进行离散,依据减振机箱的几何特性选择单元并对单元进行分析,依据虚功原理建立整体的有限元模型图3、4。2.2减少振动箱的随机振动分析2.2.1频响函数及其转换函数在有限元软件Ansys中把随机响应分析当作频率响应分析的后处理来进行的,其输入的文件不但包括频率响应分析的输出结果,而且包括以功率谱密度形式提供的载荷情况;输出结果为响应的功率谱密度、自相关函数、每单位时间的正斜率方向的零交点个数、以及响应的值等。频响函数反映的都是输入输出关系,即包括位移、速度、加速度、应力均有传递函数与频响函数。转换函数也可以用于频域使输入载荷频率PSD与输出加速度、应力发生关系,如式(1):式中:U(ω)表示的是位移响应,F(ω)输入载荷中表示的是输入为力、输出为位移的频响方程,而已知的载荷为加速度,在随机振动分析中也需要给出响应的加速度,通过推导得出输入输出均为加速度的频响函数,如式(2):式中:Gσ(ω)是应力功率谱密度;Gij(ω)是输入i和j之间的互功率谱密度;hi(ω)是i节点的应力和载荷之间的转换函数;hj*(ω)是h(ω)的复数变化。2.2.2随机噪动场景机箱的主要载荷情况如图5。2.2.3加速度均方根根据前面所建立的模型,利用有限元软件Ansys分别对减振器减振机箱和泡沫铝减振机箱进行计算,得到结果如图6、7。根据功率谱密度与响应均方根的关系(零均值),对谱密度函数式(2)进行积分再开方,计算得到两种模型的加速度均方根。在减振器减振机箱中,node54为机箱内部梁单元中功率谱密度响应最大的点,node1043为箱体外表面底部中心点;在泡沫铝减振机箱中,node87为机箱内部梁单元中功率谱密度响应最大的点,node188为箱体外表面底部中心点。两种模型的加速度均方根见表2。从表中可知,泡沫铝减振机箱的加速度响应要比减振器减振机箱的响应小,加速度均方根值减小量达39.6%。由此可知,新型泡沫铝减振机箱比减振器减振机箱可更好的降低外界对电子设备的动态影响。3减振器减振设备与泡沫铝减振作为随机振动的比较以传统的减振器减振机箱为基础,为了能增加抗振、抗冲击性能,减小共振现象的发生,设计出了新型的泡沫铝减振机箱。针对相同载荷,利用有限元软件Ansys对减振器减振机箱和泡沫铝减振机箱进行随机振动分析,得出泡沫铝减振机箱内部的电子设备受到的加速度均方根值