搜索基于Abaqus的电脑主机跌落和冲击的有限元分析
2013-07-02 by:广州ABAQUS培训中心 来源:仿真在线
Abaqus 是一种大型有限元分析软件,不仅具有友好的用户使用和操作界面,更具有强大的分析功能。其包含的Abaqus/Explicit 显式求解器可以轻松求解复杂非线性问题和准静态问题,特别是用于模拟短暂、瞬时的动态事件,如冲击和爆炸问题;Abaqus/Standard 通用分析模块则能够求解广泛领域的线性和非线性问题。本文即应用Abaqus/Explicit 显式求解算法对于产品经常遇到的跌落和冲击进行了有限元分析与计算。
分析流程介绍
随着仿真分析技术的日益普及,单个部件结构强度的分析已是十分的成熟和快捷。仿真分析工程师也逐渐将更多注意力转向由多个部件组成的整机系统,期望通过系统的分析,考察各部件在各种工况和载荷下的表现。整机的分析是非常复杂的,如何通过整机分析得出客观真实的仿真数据,并指导于设计,是一项系统而复杂的任务。所以对于复杂的整机分析,建立一套成熟有效的分析流程是非常关键的。CAE 分析工作的流程见图1。
图1 CAE 分析工作流程
1.确定分析任务
产品特点:一塔式服务器,机箱主体由金属薄板组成,面板为塑件,机箱内部安装有多块五寸硬盘,光驱、主板、电源等,主板上配有一较大显卡;
分析任务:角跌落,六面冲击;
分析目的:验证机箱强度,显卡安装是否牢固以及固定安装电源模块的骨架强度是否能满足要求;
分析范畴:Abaqua/Explicit 动力学分析,显式算法。
2. 建立CAE 模型
模型如何简化:根据分析任务可以适当的进行模型简化,对于不关注的区域可以以集中质量点来替代,以此缩短分析的时间;
本分析中由于硬盘区域在跌落和冲击中不会发生异常(已有多次实验验证),故采用简化方法来处理。而对于重点关注的区域以及可能会存在风险的区域则要以详细的网格来建模。
该产品的CAD 模型与CAE 模型见图2 所示。除硬盘以集中质量点来代替外,考虑到接触因素,电源、光驱、显卡以实体尺寸和重量建模,电路板以及其上主要的元器件(如CPU、南北桥等)也建立了详细地有限元模型,壳体的金属薄板件以及塑料面板均建立了高质量的有限元模型。
图2 CAD 模型(左)与CAE 模型(右)
单元的类型和划分:目前对于模型单元的前处理,已有成熟的软件如Hypermesh、Ansa 等可以快速的完成复杂特征的单元处理和划分。Abaqus 的CAE 模块同样可以通过Bull 计算对各种几何完成网格划分,并且通过修改几何尺寸和再生功能,可以快速的完成不同尺寸几何模型的分析工作。
根据分析类型来决定单元的类型和处理是非常关键的,本例中需要进行的是动力学计算,所以需要考虑模型的求解步长,太小的时间步长则会浪费大量的计算时间和资源。由于模型中部件材料的弹性模量差异较大,如铁件一般在200000MPa 左右,而塑料件只有2500MPa,从而对时间步长产生影响。故在单元处理的时候,需要协调好二者之间的关系,控制好最小单元长度,从而使时间步长控制在可接受的范围之内。
边界条件和载荷:完成单元处理之后,赋予各部件材料模型(包括密度、弹性模量、屈服应力与应变等)便可建立组件模型,完成部件之间的装配,并定义边界条件和载荷。
部件之间的装配关系一般是通过螺栓进行连接的。螺栓之间的连接可以简化为刚性连接。Abaqus 中可以用tie以及couple 关系来定义刚性连接。定义为刚性连接的前提是不考查螺栓部位的应力,或者螺栓部位不会发生失效行为。
接触是非常重要的一种非线性行为,部件之间存在有大量的接触对,分析者需要对这种接触对进行分析前的定义,Abaqus/Explicit 中的通用接触设置可以快速的定义大量的接触对,从而大大的减轻了分析者的工作量。定义好边界条件后,便可定义载荷,本例中的载荷如下:
角跌落:参考电子产品的跌落高度标准要求,根据分析中服务器的重量可确定出跌落高度要求为46cm,并且是带包装的跌落,所以模型中也应建立包装材料的模型(包括楦体和纸箱)。建立好的模型如图3 所示:
图3 带包装的角跌落模型 去除纸箱的角跌落模型
冲击:冲击分析为不带包装的裸机分析,需要计算+X,+Y,+Z,-X,-Y,-Z 六个方向,冲击时间为11ms,加速度幅值为50G,波形为方波。冲击各方向如图4 所示。
图4 冲击示意图(隐去了机箱侧板)
3. 试算
Abaqus/Explicit 采用的是显式求解的方法,由于不需要严格的收敛迭代计算,故计算一般都会进行下去,可能出现计算错误的是计算单元过度扭曲变形,或者由于边界条件或载荷施加不正确造成的结果异常,故可一般可试算一下,以检验模型的正确性。为节省时间,可将复杂模型的大部分单元设置为刚体单元,通过快速试算,检验模型是否正确和结果的合理性。
4. 分析计算与输出报告
计算完成后,分析计算结果,整理和输出分析报告。
考虑到电源较重,结构设计师对固定电源的横梁的强度存有疑虑,故仿真分析中对于固定电源的横梁的强度在角跌落和冲击中详细进行了考察,分析表明,横梁的强度满足要求,没有失效发生,电源安装牢固可靠,见图5。
图5 电源(绿色部分)与固定电源的横梁(黄色部分)
而与主板连接的显卡在角跌落和冲击中均在不同程度上从主板的slot 中脱出,见下图6 所示。造成显卡脱出的原因为显卡的重量较大,由此产生的惯性力也就越大,通常状态下的卡槽之间的插拔力不足以对显卡产生足够的约束,故建议增加显卡与主板之间连接的可靠性。在随后的设计改进中,结构工程师增加了主板与显卡之间的锁扣连接,在样机的实验测试中没有失效发生。
图6 显卡与主板
机箱的壳体部分(包括铁件和塑件)在角跌落与冲击中均没有失效的现象发生,证明机箱的设计强度满足设计要求,在随后进行的样机实验测试中,机箱壳体部分没有失效发生。
总结
采用合理有序的分析流程,可以最大程度的发挥出产品设计前期有限元分析的作用,从而及早发现产品的设计缺陷,并使之改善。但系统的整机分析纷繁复杂,仿真分析人员必须熟悉产品的设计特点、局部特征,拥有材料真实的性能参数,模型如何简化,部件与部件之间的连接模拟等,均需要有从简单到复杂丰富的递进式模拟经验,并同实验测试相对比,才能得出可信、接近于真实的数据结果来。否则,便是无本之木,不能正确指导产品设计,并充分发挥有限元仿真的作用。
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