隨著計(jì)算機(jī)工業(yè)的快速發(fā)展，全球已進(jìn)入電腦普及時(shí)代。PC 行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)也日益白熱化，這就迫使企業(yè)要不斷地降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。而傳統(tǒng)的“設(shè)計(jì)→試制→試驗(yàn)→修改→再試制→再試驗(yàn)”的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方法顯然已難以滿足企業(yè)的需求，通過(guò) CAE 手段，在設(shè)計(jì)階段模擬產(chǎn)品在沖擊振動(dòng)等條件下的力學(xué)行為，對(duì)機(jī)箱產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，及早發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題并制定改善方案，從而達(dá)到縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低成本的目的。

ABAQUS 作為世界領(lǐng)先的有限元工程模擬軟件，從相對(duì)簡(jiǎn)單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問(wèn)題，ABAQUS都能夠很好的予以解決。對(duì)于臺(tái)式電腦機(jī)箱所涉及的典型結(jié)構(gòu)問(wèn)題，利用 ABAQUS 也都能有效求解。下面將分別介紹 ABAQUS 在機(jī)箱機(jī)構(gòu)仿真分析中的幾個(gè)典型應(yīng)用。

機(jī)箱沖擊模擬

機(jī)箱從開(kāi)發(fā)到量產(chǎn)的整個(gè)階段要經(jīng)過(guò)多輪嚴(yán)格的沖擊測(cè)試，以驗(yàn)證機(jī)箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。若能在設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行機(jī)箱的沖擊模擬，則可以很早就發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題并予以改進(jìn)，從而減少機(jī)箱手板制作和測(cè)試次數(shù)，有效節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間和降低成本。

沖擊試驗(yàn)介紹

機(jī)箱沖擊試驗(yàn)是利用沖擊試驗(yàn)機(jī)，使機(jī)箱系統(tǒng)瞬間受到很大沖擊載荷作用，以測(cè)試機(jī)箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的試驗(yàn)。根據(jù)測(cè)試需要選擇不同的沖擊波形，并設(shè)置不同的沖擊加速度值和沖擊時(shí)間。對(duì)于機(jī)箱產(chǎn)品，需要進(jìn)行六個(gè)面方向的沖擊測(cè)試，以模擬實(shí)際使用環(huán)境，測(cè)試機(jī)箱的抗沖擊能力。

圖 1 機(jī)箱沖擊試驗(yàn)圖

沖擊模擬分析

ABAQUS/Dynamic Explicit 是求解復(fù)雜非線性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題和準(zhǔn)靜態(tài)問(wèn)題的理想程序，特別是用于模擬沖擊和其他高度不連續(xù)事件，如考慮塑性、接觸、材料失效等效應(yīng)的問(wèn)題。利用ABAQUS/Dynamic Explicit 即可模擬機(jī)箱沖擊過(guò)程。

首先將機(jī)箱各部件劃分好網(wǎng)格，并將網(wǎng)格模型按零件分別導(dǎo)入 ABAQUS 中，進(jìn)行裝配，然后進(jìn)行前處理的相關(guān)設(shè)置，包括定義材料、分析步、接觸和邊界條件等。將材料及其屬性定義到 ABAQUS 中，并對(duì)應(yīng)賦給機(jī)箱不同零部件；選擇分析類型為 Dynamic/Explicit，并定義沖擊時(shí)間；采用 General Contact 來(lái)定義模型接觸。

按照機(jī)箱各零部件之間的相互約束關(guān)系分別在 ABAQUS 中建立約束，并根據(jù)不同的約束行為，分別建立不同約束類型的約束對(duì)。依據(jù)機(jī)箱在實(shí)際沖擊試驗(yàn)中的沖擊條件，為模型施加邊界條件。完成以上設(shè)置后，即可提交任務(wù)到 ABAQUS 求解器中進(jìn)行求解計(jì)算。

沖擊分析案例

利用 ABAQUS 對(duì)某款機(jī)箱進(jìn)行沖擊模擬分析，結(jié)果顯示，由于硬盤(pán)的質(zhì)量沖擊效應(yīng)，硬盤(pán)架強(qiáng)度不足，塑料釘根部沖擊產(chǎn)生很大變形。圖 3 為機(jī)箱硬盤(pán)架沖擊應(yīng)變?cè)茍D。

圖 3 機(jī)箱硬盤(pán)架沖擊應(yīng)變?cè)茍D

針對(duì)硬盤(pán)架塑料釘根部強(qiáng)度不足的情況，變更材料并對(duì)塑料釘進(jìn)行結(jié)構(gòu)改善后，塑料釘強(qiáng)度得到很大提升。

機(jī)箱振動(dòng)模擬

對(duì)于機(jī)箱而言，最大的振動(dòng)源是硬盤(pán)，而硬盤(pán)的工作頻率多為 120Hz，因此機(jī)箱設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能使系統(tǒng)頻率遠(yuǎn)離120Hz，以避免共振現(xiàn)象的發(fā)生。如能在機(jī)箱設(shè)計(jì)階段就對(duì)機(jī)箱進(jìn)行振動(dòng)分析，則能提前預(yù)知機(jī)箱的振動(dòng)情況，并及時(shí)采取適當(dāng)措施改進(jìn)。

機(jī)箱模態(tài)分析

模態(tài)是機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由有限元分析獲得，這樣一個(gè)分析過(guò)程稱為模態(tài)分析。對(duì)機(jī)箱系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，可以獲取機(jī)箱在各模態(tài)的固有頻率，進(jìn)而可以考察在 120Hz 附近的頻率段內(nèi)系統(tǒng)各階的主要模態(tài)特性，以評(píng)估系統(tǒng)在此頻率下的響應(yīng)。采用 ABAQUS/Linear perturbation 的 Frequency 即可進(jìn)行機(jī)箱系統(tǒng)的模態(tài)分析。

模態(tài)分析完后，還可進(jìn)行系統(tǒng)頻率響應(yīng)分析，以考察機(jī)箱各部件在主要振源激勵(lì)下的頻率響應(yīng)大小情況。

模態(tài)分析案例

圖 4 為對(duì)某款機(jī)箱做模態(tài)分析的結(jié)果，結(jié)果顯示系統(tǒng)在 119.03Hz 和 121.56Hz 時(shí)有頻率響應(yīng)，其中頂板的頻率響應(yīng)最大，易引發(fā)共振。采取措施提高頂板剛度后，系統(tǒng)頻率得到提升，從而成功避開(kāi) 120Hz。

在 119.03Hz 時(shí) 在 121.56Hz 時(shí)

機(jī)箱靜力學(xué)分析

通過(guò)靜力學(xué)分析的方法，分析機(jī)箱部件承受靜載時(shí)的受力和變形情況，從而為機(jī)箱部件設(shè)計(jì)提供參考，也是ABAQUS 在機(jī)箱仿真分析中的一項(xiàng)重要應(yīng)用。采用 ABAQUS 的 General Static 即可進(jìn)行機(jī)箱的靜力學(xué)分析。

圖 5 是對(duì)某款機(jī)箱進(jìn)行靜力學(xué)分析之后的結(jié)果，結(jié)果顯示 CPU 兩側(cè)受力不均，導(dǎo)致受力較大側(cè)應(yīng)變值過(guò)大，超過(guò)相應(yīng)的 SPEC。分析原因?yàn)橛捎诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題，導(dǎo)致 CPU 兩側(cè)彈簧所施加預(yù)緊力不同，進(jìn)而導(dǎo)致 CPU 兩側(cè)受力不均，改進(jìn)設(shè)計(jì)并重新分析，結(jié)果顯示 CPU 兩側(cè)受力變得均勻，CPU Socket 處應(yīng)變值也變得很小，問(wèn)題得以解決。

圖 5 某款機(jī)箱靜力學(xué)分析結(jié)果

結(jié)論

以上介紹了 ABAQUS 在機(jī)箱沖擊、振動(dòng)和靜力學(xué)分析中的應(yīng)用，可以看到利用 ABAQUS 軟件對(duì)機(jī)箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，能在設(shè)計(jì)階段對(duì)機(jī)箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并提前采取改進(jìn)措施。除以上典型分析外，還可進(jìn)行機(jī)箱包材跌落等其他類型分析，從而充分體現(xiàn)出 CAE 分析的價(jià)值，為縮短機(jī)箱產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力作出重要貢獻(xiàn)。

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