基于强度分析的电子设备机箱轻量化设计解析

【摘要】为分析基于强度分析的电子设备机箱轻量化设计，采用理论结合实践的方法，立足电子设备机箱强度分析的必要性，分析了机箱结构特点和轻量化设计的要点，并对设计结果进行强度分析。分析结果表明，基于强度分析的电子设备机箱轻量化设计是一个复杂的过程，需要综合考虑多种因素。通过精确的分析和创新的设计策略，可以有效地减轻机箱重量，同时保持或甚至提高其性能和可靠性。

【关键词】强度分析；电子设备机箱；轻量化设计；耐久振动

【引言】电子设备机箱的轻量化设计对于提高设备的便携性和减少运输成本至关重要。在进行轻量化设计时，强度分析是一个关键步骤，它确保机箱在减轻重量的同时仍能保持足够的结构强度和稳定性。此外，强度分析还可以帮助设计师选择合适的材料和制造工艺，以达到轻量化的目的，同时保证机箱的耐用性和安全性。基于此，开展基于强度分析的电子设备机箱轻量化设计解析就显得尤为必要。

1、电子设备机箱强度分析的必要性

在现代电子工程设计中电子设备机箱的强度分析至关重要，它关系到设备的安全性、可靠性和持久性，具体而言，电子设备机箱强度分析的必要性主要体现在以下几个方面：

1）确保结构完整性。电子设备在运行过程中，机箱需要承受各种外力作用，包括机械撞击、振动、跌落等。通过强度分析，可以评估机箱在这些条件下的结构响应，确保其在整个预期使用寿命内保持结构完整，避免因材料疲劳或断裂导致的突然失效。

2）提升产品安全。强度分析帮助设计者识别潜在的弱点和故障模式，例如，应力集中区域可能导致裂纹生成和扩散。通过预测这些风险点，设计者可以在设计阶段进行优化，减少事故发生的概率，保护用户和设备的安全。

3）优化材料使用。通过精确的强度分析，可以更有效地选择和使用材料。这不仅可以减少材料的浪费，降低成本，同时还可以通过使用更轻的材料或减少材料的用量来实现产品的轻量化，而不牺牲其结构强度和功能。

2、机箱结构特点和轻量化设计的要点

一套完整的电子设备机箱由左右两个侧板，前方面板，后方盖板，上部盖板，底部底板以及其他零部件共同组成，相接位置通过螺栓连接成一个整体，常规的电子设备机箱多为6061铝合金材料。对整个电子设备机箱而言，左右两侧板通过会与外界设备的安装架相互连接，为主要的承力部件。箱体内部模块运行产生的热量，通过两侧锁紧条传递给机箱左右两侧侧板上的散热齿，将内部热量传递到机箱外部。而前后、上下盖板的主要作用是对内部机械进行封装处理，并屏蔽电磁，降低外界因素对内部电气设备造成的不良影响【1】。

结合电子设备机箱的特点，在进行轻量化设计时，由于左右两侧板，具有承受重力、散热等重要作用，为维持不变，依然采用原来的6061铝合金材料。而前后、上下板只是起到封装和防护的作用，可用质量更轻的材料，如5A90铝锂合金或者是PEEK来替换6061铝合金材料，三种材料轻量化设计效果如表1所示：

表1 三种材料轻量化设计效果表

3、电子设备机箱轻量化设计强度分析

3.1模态分析

模态分析为强度分析的主要内容之一，主要作用是分析电子设备机箱轻量化设计的自振频率特性，从而反映出电子设备机箱结构的刚度指标【2】。对电子设备机箱而言，长、宽、高方向的主模态频率越高，则其刚度越大，对电子设备机箱轻量化设计模型4个安装孔施加一个固定约束后，再进行模态分析，分析结果如表2所示：

表2 电子设备机箱轻量化设计模态分析结果表

从表2中能够清楚看出，6061铝合金材料和5A90铝锂合金材料制作而成的电子设备机箱在长、宽、高三个方向上的主模态频率都比较高，表明整体箱体的刚度比较高。但5A90铝锂合金材料的密度要小于6061铝合金材料，可在满足电气设备机箱对刚度要求的同时，减轻重量。而PEEK相比于另外两种材料，宽度和长度方向的主频率比较大，但高度方向较小，主要原因是PEEK材料的弹性模量比较小，从而导致高度方向刚度减弱。长度和高度方向振动时，形成的振动激励向PEEL材料的传递比较小，较小的弹性模量对电子设备机箱刚度的减弱作用比较小，但由于减小了电子设备机箱的重量，致使长度和宽度方向的振动频率有所提升。

3.2耐久振动分析

耐久振动分析也是强度分析的主要内容，通过耐久振动分析可反映出电子设备机箱经过长时间爱振动后的抗疲劳特性，在电子设备机箱轻量化设计中多采用无限寿命方法，这就使得电子设备机箱在随机振动条件下，满足无寿命的条件为3应力小于材料的疲劳极限，为进一步掌握电子设备机箱轻量化设计的耐久振动效果，需进行耐久振动仿真分析，以获得不同材料的最大应力值，并和材料的疲劳极限进行对比分析，即可到剩余的轻度系数【3】。6061铝合金材料和5A90铝锂合金材料的性能基本相同，因此，二者的最大应力出现的位置基本一致，都出现在宽度方向振动时的右侧板弯角位置，6061铝合金材料的剩余强度系数为1.39，5A90铝锂合金材料和PEEK材料的剩余强度系数为2.84和2.75，都小于各自材料的疲劳极限，这就可以充分说明，采用这三种采用设计电子设备机箱都不会方式破坏，且满足强度设计的要求。

3.3坠撞安全冲击分析

坠撞安全冲击分析的作用是评价电子设备机箱轻量化设计能否在特定轻度的坠落撞击下，依然保持正常状态，坠撞安全冲击剩余强度系数可通过以下公式计算出来：

此公式中即为坠撞安全冲击的剩余强度系数，为所选择材料的强度极限，电子设备机箱在坠撞冲击时域响应应力的最大值，为保障电子设备机箱使用的安全性，一般认为值不小于1.5，方可判定为合格产品【4】。

经坠撞安全冲击试验分析，6061铝合金材料值为3.2，5A90铝锂合金材料值为10.6，PEEK材料的值为4.7，全部都大于产品合格判定的不小于1.5的要求，都满足设计要求，

【结束语】

综上所述，结合理论实践，分析了基于强度分析的电子设备机箱轻量化设计，分析结果表明，电子设备机箱的结构特点决定了轻量化设计具有很强的复杂性、技术性，设计难度比较大，既要满足电子设备机箱各项性能不降低，又有减轻设备重量。采用结构优化和材料替代两个相结合的方法，利于设计出更加科学合理的轻量化设计产品。经模态分析、耐久振动分析、坠撞安全冲击分析，重量更轻的5A90铝锂合金材料和PEEK材料可完全取代常规的6061铝合金材料，既能满足电子设备机箱对强度的要求，也可以减轻重量，值得推广和应用。

【参考文献】

[1]吴晗.一种航空电子模块的轻量化设计及仿真分析[J].机电工程技术,2022,51(02):124-128.

[2]简化汽车车身电机控制器设计，快速实现轻量化[J].单片机与嵌入式系统应用,2021,21(02):90.

[3]黄靖淞,左颢睿,张建林.轻量化目标检测算法研究及应用[J].计算机工程,2021,47(10):236-241.

[4]潘浒,邢晓俊,金志峰,等.基于拓扑优化的某全金属Vivaldi天线轻量化设计[J].电子机械工程,2020,36(05):19-23.