搜索基于Abaqus的電腦主機跌落和沖擊的有限元分析
2013-07-02 by:廣州ABAQUS培訓(xùn)中心 來源:仿真在線
Abaqus 是一種大型有限元分析軟件,不僅具有友好的用戶使用和操作界面,更具有強大的分析功能。其包含的Abaqus/Explicit 顯式求解器可以輕松求解復(fù)雜非線性問題和準(zhǔn)靜態(tài)問題,特別是用于模擬短暫、瞬時的動態(tài)事件,如沖擊和爆炸問題;Abaqus/Standard 通用分析模塊則能夠求解廣泛領(lǐng)域的線性和非線性問題。本文即應(yīng)用Abaqus/Explicit 顯式求解算法對于產(chǎn)品經(jīng)常遇到的跌落和沖擊進行了有限元分析與計算。
分析流程介紹
隨著仿真分析技術(shù)的日益普及,單個部件結(jié)構(gòu)強度的分析已是十分的成熟和快捷。仿真分析工程師也逐漸將更多注意力轉(zhuǎn)向由多個部件組成的整機系統(tǒng),期望通過系統(tǒng)的分析,考察各部件在各種工況和載荷下的表現(xiàn)。整機的分析是非常復(fù)雜的,如何通過整機分析得出客觀真實的仿真數(shù)據(jù),并指導(dǎo)于設(shè)計,是一項系統(tǒng)而復(fù)雜的任務(wù)。所以對于復(fù)雜的整機分析,建立一套成熟有效的分析流程是非常關(guān)鍵的。CAE 分析工作的流程見圖1。
圖1 CAE 分析工作流程
1.確定分析任務(wù)
產(chǎn)品特點:一塔式服務(wù)器,機箱主體由金屬薄板組成,面板為塑件,機箱內(nèi)部安裝有多塊五寸硬盤,光驅(qū)、主板、電源等,主板上配有一較大顯卡;
分析任務(wù):角跌落,六面沖擊;
分析目的:驗證機箱強度,顯卡安裝是否牢固以及固定安裝電源模塊的骨架強度是否能滿足要求;
分析范疇:Abaqua/Explicit 動力學(xué)分析,顯式算法。
2. 建立CAE 模型
模型如何簡化:根據(jù)分析任務(wù)可以適當(dāng)?shù)倪M行模型簡化,對于不關(guān)注的區(qū)域可以以集中質(zhì)量點來替代,以此縮短分析的時間;
本分析中由于硬盤區(qū)域在跌落和沖擊中不會發(fā)生異常(已有多次實驗驗證),故采用簡化方法來處理。而對于重點關(guān)注的區(qū)域以及可能會存在風(fēng)險的區(qū)域則要以詳細的網(wǎng)格來建模。
該產(chǎn)品的CAD 模型與CAE 模型見圖2 所示。除硬盤以集中質(zhì)量點來代替外,考慮到接觸因素,電源、光驅(qū)、顯卡以實體尺寸和重量建模,電路板以及其上主要的元器件(如CPU、南北橋等)也建立了詳細地有限元模型,殼體的金屬薄板件以及塑料面板均建立了高質(zhì)量的有限元模型。
圖2 CAD 模型(左)與CAE 模型(右)
單元的類型和劃分:目前對于模型單元的前處理,已有成熟的軟件如Hypermesh、Ansa 等可以快速的完成復(fù)雜特征的單元處理和劃分。Abaqus 的CAE 模塊同樣可以通過Bull 計算對各種幾何完成網(wǎng)格劃分,并且通過修改幾何尺寸和再生功能,可以快速的完成不同尺寸幾何模型的分析工作。
根據(jù)分析類型來決定單元的類型和處理是非常關(guān)鍵的,本例中需要進行的是動力學(xué)計算,所以需要考慮模型的求解步長,太小的時間步長則會浪費大量的計算時間和資源。由于模型中部件材料的彈性模量差異較大,如鐵件一般在200000MPa 左右,而塑料件只有2500MPa,從而對時間步長產(chǎn)生影響。故在單元處理的時候,需要協(xié)調(diào)好二者之間的關(guān)系,控制好最小單元長度,從而使時間步長控制在可接受的范圍之內(nèi)。
邊界條件和載荷:完成單元處理之后,賦予各部件材料模型(包括密度、彈性模量、屈服應(yīng)力與應(yīng)變等)便可建立組件模型,完成部件之間的裝配,并定義邊界條件和載荷。
部件之間的裝配關(guān)系一般是通過螺栓進行連接的。螺栓之間的連接可以簡化為剛性連接。Abaqus 中可以用tie以及couple 關(guān)系來定義剛性連接。定義為剛性連接的前提是不考查螺栓部位的應(yīng)力,或者螺栓部位不會發(fā)生失效行為。
接觸是非常重要的一種非線性行為,部件之間存在有大量的接觸對,分析者需要對這種接觸對進行分析前的定義,Abaqus/Explicit 中的通用接觸設(shè)置可以快速的定義大量的接觸對,從而大大的減輕了分析者的工作量。定義好邊界條件后,便可定義載荷,本例中的載荷如下:
角跌落:參考電子產(chǎn)品的跌落高度標(biāo)準(zhǔn)要求,根據(jù)分析中服務(wù)器的重量可確定出跌落高度要求為46cm,并且是帶包裝的跌落,所以模型中也應(yīng)建立包裝材料的模型(包括楦體和紙箱)。建立好的模型如圖3 所示:
圖3 帶包裝的角跌落模型 去除紙箱的角跌落模型
沖擊:沖擊分析為不帶包裝的裸機分析,需要計算+X,+Y,+Z,-X,-Y,-Z 六個方向,沖擊時間為11ms,加速度幅值為50G,波形為方波。沖擊各方向如圖4 所示。
圖4 沖擊示意圖(隱去了機箱側(cè)板)
3. 試算
Abaqus/Explicit 采用的是顯式求解的方法,由于不需要嚴格的收斂迭代計算,故計算一般都會進行下去,可能出現(xiàn)計算錯誤的是計算單元過度扭曲變形,或者由于邊界條件或載荷施加不正確造成的結(jié)果異常,故可一般可試算一下,以檢驗?zāi)Ｐ偷恼_性。為節(jié)省時間,可將復(fù)雜模型的大部分單元設(shè)置為剛體單元,通過快速試算,檢驗?zāi)Ｐ褪欠裾_和結(jié)果的合理性。
4. 分析計算與輸出報告
計算完成后,分析計算結(jié)果,整理和輸出分析報告。
考慮到電源較重,結(jié)構(gòu)設(shè)計師對固定電源的橫梁的強度存有疑慮,故仿真分析中對于固定電源的橫梁的強度在角跌落和沖擊中詳細進行了考察,分析表明,橫梁的強度滿足要求,沒有失效發(fā)生,電源安裝牢固可靠,見圖5。
圖5 電源(綠色部分)與固定電源的橫梁(黃色部分)
而與主板連接的顯卡在角跌落和沖擊中均在不同程度上從主板的slot 中脫出,見下圖6 所示。造成顯卡脫出的原因為顯卡的重量較大,由此產(chǎn)生的慣性力也就越大,通常狀態(tài)下的卡槽之間的插拔力不足以對顯卡產(chǎn)生足夠的約束,故建議增加顯卡與主板之間連接的可靠性。在隨后的設(shè)計改進中,結(jié)構(gòu)工程師增加了主板與顯卡之間的鎖扣連接,在樣機的實驗測試中沒有失效發(fā)生。
圖6 顯卡與主板
機箱的殼體部分(包括鐵件和塑件)在角跌落與沖擊中均沒有失效的現(xiàn)象發(fā)生,證明機箱的設(shè)計強度滿足設(shè)計要求,在隨后進行的樣機實驗測試中,機箱殼體部分沒有失效發(fā)生。
總結(jié)
采用合理有序的分析流程,可以最大程度的發(fā)揮出產(chǎn)品設(shè)計前期有限元分析的作用,從而及早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計缺陷,并使之改善。但系統(tǒng)的整機分析紛繁復(fù)雜,仿真分析人員必須熟悉產(chǎn)品的設(shè)計特點、局部特征,擁有材料真實的性能參數(shù),模型如何簡化,部件與部件之間的連接模擬等,均需要有從簡單到復(fù)雜豐富的遞進式模擬經(jīng)驗,并同實驗測試相對比,才能得出可信、接近于真實的數(shù)據(jù)結(jié)果來。否則,便是無本之木,不能正確指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計,并充分發(fā)揮有限元仿真的作用。
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