服务器整机柜运输结构强度仿真与设计研究

服务器作为互联网联通、大数据存储、AI算法实施的基础设施，其出货量逐年攀升[1]。服务器出货的形式，目前主要以包装箱单包、工包为主，在工厂端生产完成后，放入包装箱出货，运输至客户机房后，拆除包装再进行上柜[2]。服务器整机柜出货在近几年兴起，一方面可节省大量包材费用，另一方面由于减少拆装环节，可提升交付效率和产品品质[3]。

本文采用结构仿真手段，对服务器整机柜运输强度进行研究分析，提前识别整机柜运输过程中的风险点，同时建立满足整机柜运输的机柜强度要求规范与机箱强度要求规范，有效指导满足于整机柜运输的机柜设计与服务器机箱设计，提升运输可靠性。

服务器整机柜及运输包装如图1所示，常采用40U以上机柜进行整机柜运输，且支持全品类服务器运输，本文以42U机柜为研究对象展开仿真与设计研究。

图1 服务器整机柜及运输包装图

服务器整机柜运输结构强度，从机柜强度、机箱强度两个角度考量分析，整机柜出货强度评估流程如图2所示。获得机柜、服务器机箱3D图档后，首先按照各自强度要求规范进行强度初步评估，若满足设计要求规范，可直接输出达标结论；若不满足设计要求规范，则需进行结构仿真，仿真从斜面冲击、旋转棱跌落、振动三个方面进行强度评估，若强度不达标，给出结构优化加强建议，3D图档优化完成后进行二次仿真，直至仿真通过。

图2 整机柜出货强度评估流程图

考虑到42U机柜与单台服务器尺寸差距较大，若一台机柜搭配多台服务器时，仿真模型网格数量达到千万级别，求解运算缓慢，故机柜强度与机箱强度仿真分析需分开进行。分析机柜强度时，采用真实机柜模型搭配配重块的方式进行；分析机箱强度时，采用8U高度立柱简易机柜搭配一台真实服务器模型进行。

1.网格划分

采用仿真软件对42U机柜搭配配重块模型、8U立柱搭配服务器模型进行网格划分等前处理操作[4]。

机柜为钣金件，对其抽中面后划分5mm尺寸网格，各钣金零部件采用couple_kin单元进行连接。配重块采用6面体单元，网格尺寸为10mm，单个配重块重量50kg，一台42U机柜搭配10个配重块，共配重500kg。

服务器机箱也同样是钣金件，对其抽中面后划分3mm尺寸网格，铆接孔及螺丝孔都采用couple_kin单元进行连接。服务器内部电子器件采用6面体单元划分，塑胶件、压铸件采用4面体单元划分。

完成网格划分后进行网格单元质量检查及干涉调整，最大角小于140°，最小角大于40°，长宽比小于10，翘曲度小于10。42U机柜搭配配重块网格划分如图3所示，网格单元数量为52万。服务器搭配8U立柱网格划分如图4所示，网格单元数量为105万。

图3 42U机柜搭配配重块网格划分

图4 服务器搭配8U立柱网格划分

2.材料属性

本仿真模型所涉及零件材料物理性能如表1，钣金件采用GI材质，塑胶采用PC/ABS材质，压铸件采用锌合金或铝合金材质。

表1 材料物理性能

3.边界条件

针对42U机柜搭配配重块、服务器搭配8U立柱两种模型，分别进行斜面冲击、旋转棱跌落、振动仿真。

斜面冲击进行Front面、Back面两个方向冲击仿真，将模型倾斜10°角，沿倾斜角方向为整模型施加1.2m/s初速度，在机柜或立柱底部施加反向12G 11ms方波。

旋转棱跌落进行前棱、后棱两个方向跌落仿真，前棱跌落时，将后棱抬高100mm，并限制后棱向下位移自由度，将前棱抬高200mm，以后棱为旋转轴旋转落下到地面。后棱跌落与上述前棱跌落同理。

振动仿真进行X、Y、Z三轴向随机振动仿真分析，在机柜底面施加随机振动PSD曲线，曲线频率范围为1～200Hz，加速度为0.54Grms。

4.求解器

斜面冲击仿真与旋转棱跌落仿真采用Dynamic Explicit求解器，进行显式动力学运算分析，设置求解时间为0.02s，质量缩放为1.8E-7。振动仿真先采用Frequency求解器计算出200Hz以内固有频率，再采用Response spectrum响应谱求解器进行振动频谱下最大响应仿真分析[5]。

5.斜面冲击仿真结果分析

机柜斜面冲击过程最大应变云图，如图5所示。机柜斜面冲击过程中，应力主要集中在机柜底部附近，最大应力为297Mpa，位于立柱与底面交界位置，该处需着重加强设计，增加三角铁块与立柱、底面焊接，形成加强筋。

图5 机柜斜面冲击过程最大应变云图

服务器斜面冲击过程应变云图，如图6所示。针对4U服务器，箱耳固定强度决定了机箱的运输可靠性强度，单箱耳采用一颗螺丝固定时，螺丝孔附近应力大于屈服应力230Mpa，单箱耳采用两颗螺丝固定时，螺丝孔附近应力全部小于屈服应力230Mpa，故建议4U机型单箱耳采用两颗螺丝固定。同理方法，对6U、8U及以上机型进行斜面冲击仿真，分析出不同高度机型所需螺丝数量关系。

图6 服务器斜面冲击过程应变云图

6.旋转棱跌落仿真结果分析

机柜旋转棱跌落过程最大应变云图，如图7所示。旋转棱跌落过程，机柜应力小于屈服应力230Mpa，自身强度达标，放置服务器的L轨局部应力超标，故针对不同重量的服务器，L轨厚度选用不同，45kg以内L轨可采用1.5mm厚度，45kg以上L轨需采用2mm厚度。

图7机柜旋转棱跌落过程最大应变云图

服务器旋转棱跌落过程位移云图，如图8所示。针对4U存储机型，前后窗配满硬盘重量较大，前窗最大下沉量3mm，后窗由于没有箱耳的左右限位作用，导致下沉量达到5mm，易引起后窗硬盘与连接器的错位位移，进而产生连接器断裂、硬盘掉盘现象。针对此状况，须在后窗增加额外支撑，如机箱后窗下1U位置增加T型横梁支撑。

图8 服务器旋转棱跌落过程位移云图

7.振动仿真结果分析

机柜左右向、前后向、上下向振动仿真位移云图，如图9、10、11所示。左右向振动最大位移60mm，前后向振动最大位移0.9mm，上下向振动最大位移0.2mm。由于左右向宽度600mm，为机柜长宽高尺寸中最窄尺寸，故左右向为薄弱方向，建议机柜4根立柱与底面、顶面的连接位置都增加三角铁焊接，起到加强筋的作用。如果载重服务器价值较高，可采用2.5mm料厚立柱，可大幅减小左右方向摆动。同时，机柜包装需采用高密度泡棉对机柜左右两侧进行有力支撑。

图9 机柜左右向振动位移云图

图10 机柜前后向振动位移云图

图11 机柜上下向振动位移云图

利用上述结构仿真方法，对多种机柜优化结构方案进行分析对比，并对不同U高、不同重量、不同机型的服务器进行整机柜运输强度仿真分析，再结合实测数据结果，给出满足整机柜运输的机柜强度要求规范表2、机箱强度要求规范表3。

表2 机柜强度要求规范

表3机箱强度要求规范

评估新机柜和新服务器是否满足整机柜出货时，可参考表2、表3的要求规范进行预评估，达标即可直接输出结论，大幅提升评估效率。

本文采用结构仿真手段，从机柜运输强度和服务器机箱运输强度两个维度，对服务器整机柜运输强度进行研究分析，提前识别出整机柜运输过程风险点，给出机柜结构与机箱结构优化设计建议，并建立满足整机柜运输的机柜强度要求规范与机箱强度要求规范。

仿真过程从斜面冲击、旋转棱跌落、振动三个角度进行强度评估，从应力、位移等参数分析强度是否达标，针对机柜立柱、机箱箱耳支架、箱耳锁螺丝数量等部位给出优化建议。

经过本文的仿真分析，可有效指导满足于整机柜运输的机柜设计与服务器机箱设计，提升可靠性设计能力，降低整机柜运输过程损坏风险，提升产品可靠性及竞争力。