搜索计算机系统防振的优化设计
2013-06-06 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
本文运用HyperMesh对一款计算机整机系统进行单元划分,运用OptiStruct 对其固定侧板进行结构优化,以提高其刚度,进而提高整机的刚度。同时优化后使得系统的固有频率避开硬盘的工作频段,有效避免了硬盘工作时硬盘与系统的共振。在保护硬盘的同时有效降低系统的噪声。
马映峰 辛志峰 员德强 来源:Altair
关键字:CAE HyperMesh OptiStruct 结构优化
1 概述
随着计算机技术的发展,计算机已经成为人们工作中不可缺少的工具。作为计算机主要的存储设备硬盘的存储量也越来越大,随之其安全性也越来越重要。在计算机的产品设计过程中如何有效避免硬盘运行时与系统发生共振则成为产品设计的关键。有效避免硬盘与系统的共振能够在保护硬盘的同时降低系统的噪声。
计算机系统的机箱主要是薄壁钣金结构,两个大侧板由于其面积大是最容易产生振动的零件,同时也是对整个系统固有频率影响最大的零件。在结构设计过程中如何优化两个大侧板的结构,增加其刚度,使整个系统的固有频率避开硬盘的工作频段即成为解决系统共振问题的主要突破点。在传统的设计流程中,直到样机测试时才知道是否会有共振出现,若发现有共振现象也只能采用加橡胶垫等补救措施来解决。这样虽然也能解决问题但并没有从根本上解决共振的问题,而且需要不断实验加长了设计周期。若在产品设计前期就使用OptiStruct 对几个主要零件进行形貌优化,然后再对整机系统进行模态分析,使之避开硬盘的工作频段,避免共振的发生则能够降低成本,缩短设计周期,提高产品品质,在产品开发中将具有重要意义。图一为结合优化设计的产品设计流程:
图1 计算机系统优化设计流程
2 固定侧板的优化分析
2.1优化模型的建立
图2为一款计算机系统及其固定侧板。此系统在测试时发现,开机硬盘读取数据时有异音产生,经分析是系统与硬盘共振所致。本文运用HyperMesh对整个系统进行单元划分,运用OptiStruct对固定侧板进行结构优化。
图2 计算机系统(去掉上盖)及固定侧板模型
2.2 固定侧板模态分析
在对固定侧板进行优化分析之前,先对其进行模态分析,评估其强度和刚度。分析时为简化模型将此侧板与其他部件(硬盘、电源等)连接的固定孔进行约束。此零件的1-4阶模态分析结果如图3。其中一阶模态为90.34Hz,振型如图4。
图3 固定侧板1-4阶模态
图4 固定侧板一阶模态的振型
2.3 固定侧板优化分析
最初设计的固定侧板装在系统中后,开机后在硬盘读取数据时发现有异音出现,经分析是系统与硬盘的共振产生的异音。为了解决此问题对固定侧板进行优化。在此使用了OptiStruct的形貌优化功能。
使用OptiStruct 进行优化分析时,合理设定优化参数可以提高优化效果,并使得优化的结果更具有实用性。对固定侧板进行优化分析,先确定优化目标及优化约束条件,然后在可以产生加强筋的区域定义加强筋的参数。在此分析中确定的优化目标为一阶模态最大。根据工艺要求和系统中的空间尺寸,定义加强筋的参数为:起筋的最小宽度10mm,起筋角度60°,起筋高度1.5mm。同时确定筋位的布局方向。可以优化的区域如图5所示。由于网格变形后起筋和未起筋之间的网格变形较大,对一些零件折弯或网格节点法向角度变化较大的区域,为了避免在该区域的网格由于自动变形而产生质量过差的网格导致计算不收敛现象,将这些区域也设置成非优化设计的区域。
在确定上述条件后提交进行优化计算,经过软件的迭代计算后得到软件的优化分析结果如图6。
图5 优化设计区域
图6 固定侧板形貌优化分析结果
2.4 优化后方案设计及分析
由于固定侧板是外观件,在筋位设计时需要兼顾外观设计。根据图6 的分析结果,若完全按照优化结果设计筋位对外观影响很大,因此把优化结果中的两条筋合成为未一个筋,先进行分析,起筋的位置参考优化结果,如图7所示。对此结构进行模态分析,分析结果图图8。一阶模态提高到108Hz,振型如图8所示。
图7 固定侧板优化设计方案 
图8 优化后侧板的模态分析结果
3 整机系统模态分析
此系统中主要使用的硬盘为7200rpm,因此主要考查120Hz附近的固有频率分布看是否会与硬盘共振。分别将原始设计的固定侧板和优化设计后的固定侧板装配到系统中,对整机系统进行模态分析,图9为两个系统的固有频率分析结果。考察分析结果中120Hz附近的固有频率(如图中红框所示)分布发现,优化了固定侧板后的系统避开了硬盘的共振频段,相对远离了120Hz。降低了系统共振发生的风险。但由于系统空间有限,起筋的筋位较低,因此系统固有频率变化比较小。但硬盘的转速精确度很高,共振频段很窄,因此优化后的结构已经大大降低了共振的可能。
图9 优化设计前后固有频率分布对比
4 结论
在计算机产品设计中引入优化分析的方法能够提高产品品质,缩短设计周期,在产品设计中具有重要意义。
运用OptiStruct对计算机系统固定侧板的刚度进行优化,优化后的结果实用可行。通过对整个系统的模态分析发现优化后的结果对系统的模态有影响,能够避免系统共振。
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