計算機系統(tǒng)防振的優(yōu)化設計

2013-06-06  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

本文運用HyperMesh對一款計算機整機系統(tǒng)進行單元劃分,運用OptiStruct 對其固定側(cè)板進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,以提高其剛度,進而提高整機的剛度。同時優(yōu)化后使得系統(tǒng)的固有頻率避開硬盤的工作頻段,有效避免了硬盤工作時硬盤與系統(tǒng)的共振。在保護硬盤的同時有效降低系統(tǒng)的噪聲。

馬映峰 辛志峰 員德強 來源:Altair
關鍵字:CAE HyperMesh OptiStruct 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1 概述
隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,計算機已經(jīng)成為人們工作中不可缺少的工具。作為計算機主要的存儲設備硬盤的存儲量也越來越大,隨之其安全性也越來越重要。在計算機的產(chǎn)品設計過程中如何有效避免硬盤運行時與系統(tǒng)發(fā)生共振則成為產(chǎn)品設計的關鍵。有效避免硬盤與系統(tǒng)的共振能夠在保護硬盤的同時降低系統(tǒng)的噪聲。
計算機系統(tǒng)的機箱主要是薄壁鈑金結(jié)構(gòu),兩個大側(cè)板由于其面積大是最容易產(chǎn)生振動的零件,同時也是對整個系統(tǒng)固有頻率影響最大的零件。在結(jié)構(gòu)設計過程中如何優(yōu)化兩個大側(cè)板的結(jié)構(gòu),增加其剛度,使整個系統(tǒng)的固有頻率避開硬盤的工作頻段即成為解決系統(tǒng)共振問題的主要突破點。在傳統(tǒng)的設計流程中,直到樣機測試時才知道是否會有共振出現(xiàn),若發(fā)現(xiàn)有共振現(xiàn)象也只能采用加橡膠墊等補救措施來解決。這樣雖然也能解決問題但并沒有從根本上解決共振的問題,而且需要不斷實驗加長了設計周期。若在產(chǎn)品設計前期就使用OptiStruct 對幾個主要零件進行形貌優(yōu)化,然后再對整機系統(tǒng)進行模態(tài)分析,使之避開硬盤的工作頻段,避免共振的發(fā)生則能夠降低成本,縮短設計周期,提高產(chǎn)品品質(zhì),在產(chǎn)品開發(fā)中將具有重要意義。圖一為結(jié)合優(yōu)化設計的產(chǎn)品設計流程:

圖1 計算機系統(tǒng)優(yōu)化設計流程

2 固定側(cè)板的優(yōu)化分析
2.1優(yōu)化模型的建立
圖2為一款計算機系統(tǒng)及其固定側(cè)板。此系統(tǒng)在測試時發(fā)現(xiàn),開機硬盤讀取數(shù)據(jù)時有異音產(chǎn)生,經(jīng)分析是系統(tǒng)與硬盤共振所致。本文運用HyperMesh對整個系統(tǒng)進行單元劃分,運用OptiStruct對固定側(cè)板進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖2 計算機系統(tǒng)(去掉上蓋)及固定側(cè)板模型

2.2 固定側(cè)板模態(tài)分析
在對固定側(cè)板進行優(yōu)化分析之前,先對其進行模態(tài)分析,評估其強度和剛度。分析時為簡化模型將此側(cè)板與其他部件(硬盤、電源等)連接的固定孔進行約束。此零件的1-4階模態(tài)分析結(jié)果如圖3。其中一階模態(tài)為90.34Hz,振型如圖4。

圖3 固定側(cè)板1-4階模態(tài)

圖4 固定側(cè)板一階模態(tài)的振型

2.3 固定側(cè)板優(yōu)化分析
最初設計的固定側(cè)板裝在系統(tǒng)中后,開機后在硬盤讀取數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)有異音出現(xiàn),經(jīng)分析是系統(tǒng)與硬盤的共振產(chǎn)生的異音。為了解決此問題對固定側(cè)板進行優(yōu)化。在此使用了OptiStruct的形貌優(yōu)化功能。
使用OptiStruct 進行優(yōu)化分析時,合理設定優(yōu)化參數(shù)可以提高優(yōu)化效果,并使得優(yōu)化的結(jié)果更具有實用性。對固定側(cè)板進行優(yōu)化分析,先確定優(yōu)化目標及優(yōu)化約束條件,然后在可以產(chǎn)生加強筋的區(qū)域定義加強筋的參數(shù)。在此分析中確定的優(yōu)化目標為一階模態(tài)最大。根據(jù)工藝要求和系統(tǒng)中的空間尺寸,定義加強筋的參數(shù)為:起筋的最小寬度10mm,起筋角度60°,起筋高度1.5mm。同時確定筋位的布局方向?？梢詢?yōu)化的區(qū)域如圖5所示。由于網(wǎng)格變形后起筋和未起筋之間的網(wǎng)格變形較大,對一些零件折彎或網(wǎng)格節(jié)點法向角度變化較大的區(qū)域,為了避免在該區(qū)域的網(wǎng)格由于自動變形而產(chǎn)生質(zhì)量過差的網(wǎng)格導致計算不收斂現(xiàn)象,將這些區(qū)域也設置成非優(yōu)化設計的區(qū)域。
在確定上述條件后提交進行優(yōu)化計算,經(jīng)過軟件的迭代計算后得到軟件的優(yōu)化分析結(jié)果如圖6。

圖5 優(yōu)化設計區(qū)域

圖6 固定側(cè)板形貌優(yōu)化分析結(jié)果

2.4 優(yōu)化后方案設計及分析
由于固定側(cè)板是外觀件,在筋位設計時需要兼顧外觀設計。根據(jù)圖6 的分析結(jié)果,若完全按照優(yōu)化結(jié)果設計筋位對外觀影響很大,因此把優(yōu)化結(jié)果中的兩條筋合成為未一個筋,先進行分析,起筋的位置參考優(yōu)化結(jié)果,如圖7所示。對此結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析,分析結(jié)果圖圖8。一階模態(tài)提高到108Hz,振型如圖8所示。

圖7 固定側(cè)板優(yōu)化設計方案

圖8 優(yōu)化后側(cè)板的模態(tài)分析結(jié)果

3 整機系統(tǒng)模態(tài)分析
此系統(tǒng)中主要使用的硬盤為7200rpm,因此主要考查120Hz附近的固有頻率分布看是否會與硬盤共振。分別將原始設計的固定側(cè)板和優(yōu)化設計后的固定側(cè)板裝配到系統(tǒng)中,對整機系統(tǒng)進行模態(tài)分析,圖9為兩個系統(tǒng)的固有頻率分析結(jié)果。考察分析結(jié)果中120Hz附近的固有頻率(如圖中紅框所示)分布發(fā)現(xiàn),優(yōu)化了固定側(cè)板后的系統(tǒng)避開了硬盤的共振頻段,相對遠離了120Hz。降低了系統(tǒng)共振發(fā)生的風險。但由于系統(tǒng)空間有限,起筋的筋位較低,因此系統(tǒng)固有頻率變化比較小。但硬盤的轉(zhuǎn)速精確度很高,共振頻段很窄,因此優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)已經(jīng)大大降低了共振的可能。

圖9 優(yōu)化設計前后固有頻率分布對比

4 結(jié)論
在計算機產(chǎn)品設計中引入優(yōu)化分析的方法能夠提高產(chǎn)品品質(zhì),縮短設計周期,在產(chǎn)品設計中具有重要意義。
運用OptiStruct對計算機系統(tǒng)固定側(cè)板的剛度進行優(yōu)化,優(yōu)化后的結(jié)果實用可行。通過對整個系統(tǒng)的模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的結(jié)果對系統(tǒng)的模態(tài)有影響,能夠避免系統(tǒng)共振。

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