隨著服務(wù)器性能的不斷提升，系統(tǒng)功耗不斷增加會(huì)產(chǎn)生更多的熱量。為解決服務(wù)器散熱問題，提高系統(tǒng)內(nèi)部風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速是比較經(jīng)濟(jì)的選擇。但是風(fēng)扇轉(zhuǎn)速越高，產(chǎn)生的噪聲及振動(dòng)越大，噪聲和振動(dòng)會(huì)通過機(jī)箱傳遞給機(jī)械硬盤，導(dǎo)致硬盤碟片旋轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)扇區(qū)時(shí)，磁頭振動(dòng)量大，極易偏離正確的磁道，大大增加數(shù)據(jù)讀取和寫入時(shí)間，出現(xiàn)硬盤數(shù)據(jù)讀寫速率降低的問題。

 

本文應(yīng)用Abaqus穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)分析方法，對(duì)某款服務(wù)器兩種不同硬盤托盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)傳遞函數(shù)分析，對(duì)比兩種方案的優(yōu)劣。同時(shí)結(jié)合模態(tài)貢獻(xiàn)量、工作變形分析手段找出硬盤測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度出現(xiàn)峰值的原因，并對(duì)機(jī)箱的傳遞路徑進(jìn)行研究，合理優(yōu)化機(jī)箱結(jié)構(gòu)，為因振動(dòng)導(dǎo)致的硬盤數(shù)據(jù)讀寫速率降低問題提供一個(gè)新的優(yōu)化途徑。

 

有限元分析模型建立

機(jī)箱鈑金主要采用四邊形 S4 和少量三角形 S3 殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，殼網(wǎng)格平均尺寸 5mm。主板、硬盤背板、內(nèi)存條及連接器等劃分為六面體單元 C3D8I 網(wǎng)格。電源、PCIE卡、OCP 卡、機(jī)械硬盤、Heatsink 散熱器等元器件簡(jiǎn)化為與實(shí)際結(jié)構(gòu)形狀及體積相近的質(zhì)量體。風(fēng)扇、CPU散熱器采用集中質(zhì)量模擬，分別使用 COUPKIN 與 DCOUP3D 單元連接。鉚接及螺栓采用剛性單元 COUPKIN 連接，兩種硬盤托盤結(jié)構(gòu)網(wǎng)格詳細(xì)劃分。機(jī)箱及兩種硬盤托盤結(jié)構(gòu)有限元模型如圖 1 和圖 2 所示。

 

 

圖 1. 機(jī)箱有限元模型圖.

 

 

圖 2. 兩種硬盤托盤結(jié)構(gòu)有限元模型圖

 

在圖 2 中左側(cè)硬盤托盤結(jié)構(gòu)為方案一，右側(cè)硬盤托盤結(jié)構(gòu)為方案二。通過對(duì)比可以看出

方案一在上下方向布置有紅色減振彈片，左右方向也有凸起中空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在振動(dòng)過程中

會(huì)有減振的作用。方案二僅在上下方向布置紅色減振彈片。

 

采用基于模態(tài)的穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)分析方法，對(duì)機(jī)箱進(jìn)行振動(dòng)傳遞函數(shù)分析。振動(dòng)傳遞函數(shù)分析 VTF(Vibration Transfer Function)主要是指輸入激勵(lì)載荷與輸出振動(dòng)之間的對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系，用于評(píng)價(jià)機(jī)箱結(jié)構(gòu)對(duì)振動(dòng)的靈敏度特性。VTF 分析主要通過在風(fēng)扇安裝點(diǎn)施加單位力激勵(lì)，計(jì)算得到機(jī)械硬盤測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度響應(yīng)。約束墊木底部所有自由度，在風(fēng)扇安裝點(diǎn)分別施加 x 向、y向、z 向 1 N 的載荷，頻率范圍 5~2000 Hz，模態(tài)阻尼 4%，結(jié)構(gòu)模態(tài)截止頻率 2500 Hz。

 

計(jì)算輸出機(jī)械硬盤測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度頻響曲線。如圖 3 所示，方案一硬盤測(cè)點(diǎn)編號(hào)從左到右依次為 1102~1107，方案二相同位置的硬盤測(cè)點(diǎn)編號(hào)從左到右依次為 1202~1207。

 

 

圖 3. 硬盤測(cè)點(diǎn)說明.

 

振動(dòng)傳遞函數(shù)分析

振動(dòng)傳遞函數(shù)分析結(jié)果

機(jī)箱振動(dòng)傳遞函數(shù)分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表 1，為了更直觀的評(píng)估結(jié)果，將表 1 整理為折線圖的形式，如圖 4~圖 6 所示。機(jī)箱的左右方向定義為 x 向，上下方向定義為 y 向，前后方向定義為 z 向。

 

表 1. 機(jī)箱振動(dòng)傳遞函數(shù)分析結(jié)果.

 

 

 

圖 4. x 向載荷時(shí)硬盤測(cè)點(diǎn)三個(gè)分量峰值加速度對(duì)比.

 

 

圖 5. y 向載荷時(shí)硬盤測(cè)點(diǎn)三個(gè)分量峰值加速度對(duì)比.

 

圖 6. z 向載荷時(shí)硬盤測(cè)點(diǎn)三個(gè)分量峰值加速度對(duì)比.

 

通過對(duì)圖 4~圖 6 折線圖的對(duì)比可以看出 x 向載荷時(shí)方案一的硬盤測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度只有z 向分量高于方案二，y 向載荷時(shí)兩個(gè)方案的硬盤測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度基本相當(dāng)，z 向載荷時(shí)方案一的硬盤測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度均低于方案二。綜合判定方案一的硬盤托盤方案優(yōu)于方案二。

 

通過以上分析可知，在 x 向載荷時(shí)，方案一硬盤測(cè)點(diǎn) 1107 在 z 向分量出現(xiàn)加速度峰值 2437mm/s2。圖 7 為方案一硬盤測(cè)點(diǎn)編號(hào) 1102~1107 的 x 向載荷 z 向分量的振動(dòng)加速度頻響曲線。硬盤測(cè)點(diǎn) 1107 在 446 Hz 出現(xiàn)峰值加速度 2437mm/s2。

 

 

圖 7. 方案一硬盤測(cè)點(diǎn) x 向載荷 z 向分量的振動(dòng)加速度頻響曲線

 

模態(tài)貢獻(xiàn)量及工作變形分析

對(duì)測(cè)點(diǎn) 1107 在 446 Hz 的峰值加速度 2437 mm/s2進(jìn)行模態(tài)貢獻(xiàn)量分析，得到對(duì) 446Hz 處峰值貢獻(xiàn)量最大的模態(tài)和振型。如圖 8 所示，橫坐標(biāo)表示柱狀矩形對(duì)應(yīng)的模態(tài)值，縱坐標(biāo)表示此模態(tài)對(duì)峰值加速度貢獻(xiàn)的加速度水平。從圖 8 中可以看出 444.25Hz 模態(tài)對(duì)峰值的貢獻(xiàn)量最大。

 

 

圖 8. 硬盤測(cè)點(diǎn) 1107 在 446Hz 的模態(tài)貢獻(xiàn)量.

 

圖 9 為 444.25 Hz 硬盤模組模態(tài)的振型云圖，硬盤模組在高階模態(tài)呈現(xiàn)出復(fù)雜的局部扭動(dòng)振型，硬盤背板中部出現(xiàn)開口變形，初步判斷是導(dǎo)致測(cè)點(diǎn) 1107 出現(xiàn)較大的 z 向加速度（前后方向）的原因之一。

 

 

圖 9. 硬盤模組 444.25Hz 模態(tài)振型云圖.

 

工作變形分析，定義為結(jié)構(gòu)在某特定頻率下的工作變形，即輸出關(guān)注頻率的頻響云圖。在上述基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)箱工作變形分析，圖 10 為在 446 Hz 頻響位移云圖，可以看出硬盤背板中部出現(xiàn)彎折變形。

 

 

圖 10. 硬盤模組 446Hz 頻響位移云圖.

 

綜合上述分析結(jié)果可以看出，在 x 向載荷作用下，測(cè)點(diǎn) 1107 出現(xiàn) z 向分量加速度峰值的原因?yàn)榇藚^(qū)域的硬盤背板變形較大。

 

優(yōu)化方案及驗(yàn)證

通過模態(tài)貢獻(xiàn)量及工作變形分析可以看出硬盤背板出現(xiàn)局部變形，為降低硬盤測(cè)點(diǎn)加速度峰值，需要增加硬盤背板區(qū)域的剛度。硬盤通過連接器連接在硬盤背板上，如果硬盤背板剛度偏軟，在振動(dòng)過程中容易出現(xiàn) z 向（前后方向）晃動(dòng)。優(yōu)化方案如圖 11 所示，在硬盤背板中部增加一個(gè)固定點(diǎn)。

 

 

圖 11. 硬盤背板優(yōu)化方案.

 

對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行振動(dòng)傳遞函數(shù)分析，輸出優(yōu)化后的方案一 x 向載荷 z 向分量頻響曲線。測(cè)點(diǎn) 1107 振動(dòng)加速度由 2437 mm/s2降低為 2380 mm/s2。優(yōu)化方案加速度頻響曲線如圖 12 所示。

 

 

圖 12. 優(yōu)化后方案一硬盤測(cè)點(diǎn) x 向載荷 z 向分量的振動(dòng)加速度頻響曲線

 

從以上結(jié)果可以看出應(yīng)用 Abaqus 軟件，通過模態(tài)貢獻(xiàn)量、工作變形分析手段可以找出硬盤測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度出現(xiàn)峰值的原因，從而可以合理的優(yōu)化機(jī)箱結(jié)構(gòu)。

 

振動(dòng)傳遞函數(shù)分析設(shè)置優(yōu)化

應(yīng)用 Abaqus 軟件進(jìn)行模態(tài)貢獻(xiàn)量分析需要在一個(gè) INP 文件中定義兩個(gè)分析步，即模態(tài)分析步與穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)分析步，然后應(yīng)用插件提取并繪制模態(tài)貢獻(xiàn)量圖。以方案一的計(jì)算結(jié)果為例，由于模態(tài)分析的截止頻率為 2500Hz,需要提取大量模態(tài)，而模態(tài)分析步必須輸出場(chǎng)位移的結(jié)果，否則無法計(jì)算，即使穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)分析步只定義輸出測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度的歷史變量，分析的結(jié)果文件大小也要達(dá)到 14.5GB。經(jīng)過不斷嘗試發(fā)現(xiàn)，模態(tài)分析步不必輸出全場(chǎng)位移，只輸出硬盤測(cè)點(diǎn)位移的場(chǎng)變量同樣可以進(jìn)行穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)分析和模態(tài)貢獻(xiàn)量分析，由于不必輸出大量模態(tài)分析的全場(chǎng)位移，此時(shí)分析的結(jié)果的文件大小僅為 150MB。

 

模態(tài)分析步如果采用默認(rèn)的 Lanczos 方法，以方案一的計(jì)算模型為例，節(jié)點(diǎn)數(shù)：360199，網(wǎng)格數(shù)：412251，完成一個(gè)分析的時(shí)間為 4951s。對(duì)于大規(guī)模模型需要提取大量模態(tài)時(shí)，采用 AMS 方法進(jìn)行模態(tài)提取并完成一個(gè)分析的時(shí)間僅為 548s,極大的縮短了計(jì)算時(shí)間，匯總?cè)绫?2 所示。

 

表 2. 分析設(shè)置優(yōu)化.

 

 

限于篇幅，只對(duì)比方案一硬盤測(cè)點(diǎn) 1107 在 x 向載荷 z 向分量的頻響曲線，來說明分析設(shè)置對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。如圖 13 所示，模態(tài)提取方法設(shè)置為 AMS，模態(tài)分析只輸出硬盤測(cè)點(diǎn)位移的頻響曲線（綠色曲線）與模態(tài)提取方法設(shè)置為 Lanczos，模態(tài)分析輸出全場(chǎng)位移的頻響曲線（紅色曲線）基本重合，最大的區(qū)別為硬盤測(cè)點(diǎn) 1107 的峰值加速度由2437 mm/s2升高為 2440 mm/s2。通過對(duì)比可以看出分析設(shè)置調(diào)整后對(duì)頻響結(jié)果不但不會(huì)產(chǎn)生很大的影響，而且可以對(duì)大規(guī)模模型振動(dòng)問題進(jìn)行快速仿真及優(yōu)化，符合工程仿真的要求。

 

 

圖 13. 分析設(shè)置優(yōu)化前后方案一硬盤測(cè)點(diǎn) 1107 在 x 向載荷 z 向分量的振動(dòng)加速度頻響曲線對(duì)比.

 

資料來源：達(dá)索官方