有静电地板的机房中机柜底座结构静力分析
2026-05-25 16:29:33 点击： 次
1.- 分析报告的背景和目的
该建筑始建于 80 年代，包含了第 7、8、9 和 A号地铁线控制中心通信和信号服务器的主要控制设备，原有的建筑结构图、设备布置图纸及接线图纸因档案室过火遗失并且在当时的规划中并未考虑将来新增的设备放置，为保证新增的机柜开合并避免与静电地板下既有的桥架及线缆产生干涉，需要在既有已安装静电地板的机房中给新装的机柜配备支架，
2.- 材料的选择
用于制造底座的材料为碳钢合金 AISI 1010，其碳含量低于 0.10%。这种类型的钢具有良好的延展性和可成型性，其常见用途是结构的结构件制造和机械加工。其低碳含量有助于实现良好的焊接性，并且在当地较易够得，因此选用此材料作为制作支架的基础材料。
选用的角钢材料尺寸如图1所示：
图 1.- 角钢截面几何尺寸
选用的材料的元素构成和机械性能符合 AISI 1010 标准，如以下信息所示：
2.1- 各元素构成
拟议用于制造底座的角钢材料具有以下元素组成成分：
元素含量 （%）
铁，Fe99.18-99.62 %
锰，Mn0.30-0.60 %
硫，S≤0.050 %
磷，P≤0.040 %
碳，C0.080-0.13 %
2.2.- 机械性能
用于制造底座的材料具有以下机械性能：
E：208 GPA
泊松比：0.291
密度：7870 kg/m3
弹性屈服极限：305 MPa=305*10^6 N/m^2
3.- 分析理论及分析工具
Von Mises理论基于第四强度理论（畸变能理论），特别适用于金属等塑性材料（如钢、铝合金）的屈服分析。其通过综合三个主应力的差异，准确表征材料在多轴应力状态下的等效单轴应力水平，与金属材料的实际屈服行为高度吻合
实际工程结构常处于复杂应力状态（如拉伸、压缩、剪切共存）。
利用工程建模软件中的应力分析模块，直接计算并可视化Von Mises应力云图，通过对比应力分布与材料屈服强度，快速识别结构危险区域（如应力集中部位）。
4.-设计
基于机房机柜布置图及底座详细设计图，针对不同机柜质量和静电地板下的既有桥架及线缆的布置情况对不同位置的机柜底座分别进行建模并分析。
4.1- 机柜分布情况
为了避免与机房中既有的电缆的干涉问题，计划将图 2中的4个机柜采用图7和图8的支座形式。对图中的 ODF 机柜，将使用图 6 所示的底座形式。对于其余的机柜，采用图 4 和图 5 所示的支座。
图 2.- 机柜分布图
4.2 完工效果图
图 3 显示了根据现有的静电地板中底座安装位置的轴侧图，该静电地板将与其表面保持在同一水平面，用 1/2 英寸和环氧树脂销钉固定在底面上，在分析中将地面考虑为刚体。
图 3.- 静电地板中底座轴测图
5.- 几何模型尺寸
针对不同底座进行建模以支撑不同功能的机柜。以下是需要考虑的基本类型及其尺寸。
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图 4.- 底座1 600*800*390 毫米 图 5.- 底座2 600*900*390 毫米
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图 6.- 底座3 600*800*390 毫米 图 7.- 底座4 600*900*390 毫米
5.- 细分网格参数
为保证细分网格精细度和分析结果的可靠性，采用线性材料通用的四边形网格划分方法，并采用最小3mm的边距。
5.1.- Von Mises应力（等效应力）
基于第四强度理论（畸变能理论），通过综合三个主应力（σ₁、σ₂、σ₃）计算得到，用于表征复杂应力状态下材料的等效单轴应力水平。
当Von Mises应力达到材料屈服强度σₛ时，材料发生塑性变形。该准则假设形状改变比能密度是引发屈服的主导因素
图 8.- Von Mises 的张力公式
5.2.- 施加的约束和作用力
底座 1 和底座 2 的底座下方的表面通过带有环氧树脂的 1/2 英寸膨胀螺栓直接固定到板上，参见图 9。
图 9.- 类型 1 和 2 型底座方式
底座 3 和底座 4 的四个支腿的底面通过环氧树脂的 1/2 英寸膨胀螺栓直接固定到板上，参见图 10。
图 10.- 类型 3 和 4 型底座固定方式
因项目中的电池机柜是所有机柜中质量最大的，重量为 750KG，所以采用此重量来验证上述底座上施加-7500N 重力作为唯一作用力，用于分析 4 种底座的受力和变形情况。
在相应的仿真中施加在 Z轴方向向下的荷载，载荷均匀分布在支座的上平面。
5.3.- 最大形变
在施加了上述载荷后，将能够获得底座的点云并明确的表示出其最大形变的产生处， 如图12、图13、图14、图15中Von Mises 分析的形变图。
图 12.- 底座 1 形变 图 13.- 底座 2 形变
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图 14.- 底座 3 形变 图 15.- 底座 4 形变
根据前面的模拟和已经提到的载荷，可以找到的实现这些的最大变形是表 1 中所示的变形。
底座编号
最大形变 （mm）
1
0.395
2
0.509
3
0.187
4
0.248
表 1.- 施加载荷后各底座的最大形变量
5.4.- 等效应力分布分析
依据上述相同步骤，输出各个底座的等效应力分布图，如图16、图17、图18、图19中Von Mises 分析的等效应力分布图。
图 16.- 底座 1 MISES VON 图 图 17.- 底座 2 MISES VON 图
图 18.- 底座 3 MISES VON 图 图 19.- 底座4 VON MISES 图
底座编号
最大等效应力（N/m2）
屈服强度（N/m2）
1
6.96*107
30.5*107
2
8.42*107
30.5*107
3
3.22*107
30.5*107
4
3.60*107
30.5*107
表 2.- 各底座等效最大应力对比屈服强度
在上表中，可见为上述载荷所设计的基座将呈现的最大等效应力，在此表中，底座3和底座4因结构优化而获得更小的最大等效应力，依据分析可知此4中底座结构都远未达到其弹性屈服极限。
6.- 结论
综上所述，为解决对已经安装的现有桥架和静电地板下电缆的干涉问题，在对底座结构设计进行了建模仿真分析后，结论是底座的等效应力及其形变完全满足在最大载荷为轴向向下 7500N 下的要求。
同样，可以直观地看到，为避免既有机柜新设计的 4 腿支撑的新设计具有足够的强度满足使用支撑需求。