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CAE/模拟仿真 |
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HyperMesh在台式电脑机箱结构仿真分析中的应用 |
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作者：张旗利 江国栋 王宝昆 |
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1 概述
随着计算机工业的快速发展，全球已进入电脑普及时代。电脑行业的竞争也日益白热化，这就迫使企业要不断地降低成本，提高产品质量和可靠性，缩短产品的开发周期。而传统的“设计→试制→试验→修改→再试制→再试验”的产品开发方法显然已难以满足企业的需求，通过CAE手段，在设计阶段模拟产品在冲击振动等条件下的力学行为，对机箱产品进行结构风险评估，及早发现可能出现的质量问题并制定改善方案，从而达到缩短产品开发周期，降低成本的目的。
由于机箱产品的结构复杂，零件多，在进行仿真模型建立的时候，网格划分往往占据相当大的时间。HyperMesh 是美国Altair公司的 HyperWorks 系列工程软件中的软件产品之一，被业内公认是世界上最领先、最优秀的前后处理器。采用 HyperMesh 强大的几何处理和网格生成技术，可以有效提高机箱产品网格划分的效率和质量，从而为后续分析打下良好的基础。
2 有限元网格的生成
网格划分是有限元分析的基础，网格质量的好坏直接关系着有限元计算的效率和准确性。生成网格时，在可能的条件下，尽量使用四边形或六面体单元；对于复杂的几何形体，可使用三角形或四面体单元。划分网格时需要处理好网格大小、数量、质量之间的关系，以获得几何形体表达、计算效率和准确度的最佳平衡。
台式电脑机箱既包括机箱外壳、支架等钣金件，而且包括前面板等塑胶件还有主板、硬盘、光驱和电源等部件，针对零部件类型及复杂程度，机箱的网格划分又涉及到shell、tetra和hex等不同的单元类型，利用HyperMesh强大的几何处理和网格划分功能，整个机箱的网格划分均可高效实现。
2.1 HyperMesh有限元网格生成算法
HyperMesh中多数网格划分情况下会采用自由网络网格算法。如果单元类型选择的是quads或trias，使用的是高级波前算法，如果选择mixed为单元类型，使用的是子映射算法。
高级波长算法的主要过程为：穿过区域的边长，经过的时候沿着边长放置单元；检查单元的组，看是否在连贯性上的局部变化会提高单元质量；重复地施加选择的光滑算法，直到没有节点移动超过指定的光滑公差。
2.2 机箱钣金件的网格划分
机箱钣金件由于会有很多折弯、沙拉、抽芽、打凸和拍平等工艺特征，增加了抽取中面的难度和工作量。采用传统方法做出中面然后划分网格，时间会花费很多，而使用HyperMesh的中面功能，直接由几何抽取高质量中面，只需辅以offset、trim等功能进行局部细节修改，即可在此基础上生成网格。
通过设置单元大小，调节节点数目，检查单元warpage、aspect、max angle、min angle、length等指标来控制shell单元的数量和质量，同时利用smooth、cleanup、equivalence、quality index等网格自动优化功能，提高网格调节的效率和网格质量。图1即为某款机箱钣金件的网格模型。
图1 机箱钣金件shell网格模型
2.3 机箱前面板等塑胶件的网格划分
对于机箱前面板等厚度不均、形状复杂的塑胶件，通常采用四面体来划分网格。进行必要的几何清理后，先在零件表面画上质量优良的三角形单元，形成封闭的2D面网格，然后采用tetramesh来生成四面体，并调整单元质量直至满足要求。图2为该机箱前面板网格模型。
图2 机箱前面板四面体网格模型
2.4 主板、硬盘等部件实体网格划分
机箱中主板、硬盘、光驱和电源等部件，采用实体单元来划分网格，基本思路是在二维网格的基础上，通过“挤压”、“扫略”等方式生成三维实体单元。分析几何形体并做必要的几何清理，制定出合适网格生成策略，并对几何形体进行分割，然后分区域采用合适的网格生成次序和方法生成六面体网格。图3和图4分别为主板和硬盘的六面体网格模型。 
图3 主板六面体网格模型
图4 硬盘六面体网格模型
3 有限元模型建立及求解
将在HyperMesh中划分好的机箱网格模型按零件分别导入ABAQUS中，进行装配，然后进行前处理的相关设置，包括定义材料、分析步、接触和边界条件等，设置完成后，即可提交任务到ABAQUS求解器中进行求解计算。通过模拟机箱在冲击试验台上的力学行为，能有效预测到设计可能出现的风险，从而为设计提供参考。图5为该机箱冲击仿真分析应力云图。 
图5 机箱冲击仿真分析结果应力云图
4 试验结果对比
通过HyperMesh划分网格并提交Abaqus进行分析计算后，还可通过与试验结果进行对比，以验证仿真结果的准确性。图6为该机箱在冲击台上的冲击试验图。
图6 机箱冲击试验图
5 结论
通过HyperMesh的强大功能，可以很快捷的进行机箱各部件的网格划分，提高了工作效率，并通过它的接口生成输入文件导入到Abaqus中进行冲击仿真分析计算，为设计提供参考，显示了其强大的前处理功能。(end)
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(7/15/2009) |
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