搜索基于Abaqus的電腦主機(jī)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(qiáng)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(jìn)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(qiáng)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(jī)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(jī)的分析是非常復(fù)雜的,如何通過整機(jī)分析得出客觀真實(shí)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(jī)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(diǎn):一塔式服務(wù)器,機(jī)箱主體由金屬薄板組成,面板為塑件,機(jī)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(jī)箱強(qiáng)度,顯卡安裝是否牢固以及固定安裝電源模塊的骨架強(qiáng)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(jìn)行模型簡化,對于不關(guān)注的區(qū)域可以以集中質(zhì)量點(diǎn)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(shí)驗驗證),故采用簡化方法來處理。而對于重點(diǎn)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(xì)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(diǎn)來代替外,考慮到接觸因素,電源、光驅(qū)、顯卡以實(shí)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(xì)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(jìn)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(fèi)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jī)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(yán)格的收斂迭代計算,故計算一般都會進(jìn)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(qiáng)度存有疑慮,故仿真分析中對于固定電源的橫梁的強(qiáng)度在角跌落和沖擊中詳細(xì)進(jìn)行了考察,分析表明,橫梁的強(qiáng)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(jìn)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(jī)的實(shí)驗測試中沒有失效發(fā)生。
圖6 顯卡與主板
機(jī)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(jī)箱的設(shè)計強(qiáng)度滿足設(shè)計要求,在隨后進(jìn)行的樣機(jī)實(shí)驗測試中,機(jī)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(jī)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(diǎn)、局部特征,擁有材料真實(shí)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(jìn)式模擬經(jīng)驗,并同實(shí)驗測試相對比,才能得出可信、接近于真實(shí)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。
相關(guān)標(biāo)簽搜索：基于Abaqus的電腦主機(jī)跌落和沖擊的有限元分析 廣州ABAQUS培訓(xùn) ABAQUS分析實(shí)例 CFD培訓(xùn) CFD流體分析培訓(xùn) cfd視頻 fluent cfx pumplinx軟件培訓(xùn) Fluent、CFX流體分析 HFSS電磁分析 Ansys培訓(xùn) Abaqus培訓(xùn)
