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CAE/模拟仿真 |
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Abaqus在台式机箱整机振动分析中的应用 |
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作者：王宝昆 江国栋 |
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1.概述
在目前的台式电脑中，振动和噪声两个重要的指标，噪声主要由振动产生的，风扇、硬盘是重要的震源，其中又以硬盘的影响最大。因此120Hz是一个值得重视的特殊频率，因为120Hz 是常规硬盘的工作频率，在如此低的频率范围内，常规的吸声降噪措施作用不大，只能通过材料和结构来的改善来实现结果的改善，我们通过分析系统在120Hz附近的振型来分析问题。
线性系统的模态分析技术是了解线性结构振动特性的一个重要手段，已经广泛应用在结构动力修改、优化设计、故障诊断、状态检测等诸多领域。但机械系统的特点是由多个零件通过各种方式联接起来的一个系统，机械系统的性能分析除了零件的性能分析以外，零件之间的联接特性的分析也是一个重要方面。零件之间的联接性能分析，本质是一个接触问题的分析，是机械结构非线性分析的一种典型类型。解决机械系统中的非线性问题，首先要面对的就是如何处理结构间的非线性的接触问题。
2.模型的建立
在该型号机箱中，双光驱位于顶部，两块硬盘布置于机箱的底部，硬盘固定于由钢板围成的笼形空间。硬盘在机箱上的固定方式主要分为螺丝固定以及无螺丝免工具拆卸设计。无螺丝设计方便维修保养以及升级，大大提高了用户体验性，但同时也对机架的设计以及仿真提出了巨大挑战。
图1 硬盘及固定方式示意图
本文中，硬盘覆盖以通过塑胶硬盘架固定，硬盘架通过装配卡合的方式固定在笼式硬盘架中，再通过铆接及螺丝固定的方式与整机进行连接。塑胶硬盘架的设置对于隔离硬盘振动、方便拆装有着重要的意义。
机箱作为钣金件组合体，是典型的板壳结构，因此主要采用shell单元，利用原有三维设计图档，采用Hyper mesh抽取中性面并划分网格。
2.1 Abaqus/Standard分析设定
为在有限元分析中尽量考虑机箱的结构力学特性，又能简化计算，提高计算速度，引入如下的假设和处理方法：
显卡及主板采用PCB材料，电源、硬盘等只需考虑质量，所以将其定义为刚体，并给予一定的密度，同时充分利用ABAQUS自动计算并调整参考点至质心的功能建立参考点来定义。
作为钣金件组合体，台式机箱存在大量的铆接及螺栓固定的部位，在频率分析中至今也没有比较完善的理论来准确描述频率分析中各种连接方式以及接触对，这也是频率分析中的难点，为此，结合分析的经验，对各种接触行为如铆接、螺丝固定、装配配合等分别进行处理，在建立过程中，按主-从公式定义基于表面的约束，一般选材料较软和网格划分较密为从属表面。
Abaqus提供了三种求解振型的方法：Lanczos方法、Subspace方法及AMS(自动多重子结构)方法，三种方法各有优缺点，分析中采用了默认的Lanczos方法，其优点是它的可行性及高效性以及支持稀疏矩阵方法。
3.Abaqus/Standard模拟结果
对于描述的机箱结构模型（图2），用Abaqus进行模态分析，模态分析结果见如下表：表1 原始设计振型描述
 
图2 硬盘架设计
由于机箱结构模型主要以薄板为主，所以存在大量局部模态，导致模态密集，且主要以板的变形为主。图3 为机箱结构在120Hz附近的模态振型。
图3 原始设计在120Hz附近的振型
可以看出，整机的共振频率在119Hz，且振型在硬盘架附近。非常接近硬盘的工作频率，实验结果也显示，系统在正常工作时，振动和噪音问题超标，且主要原因是120Hz引起的面板加速度过大。
通过结构分析，振动及噪音问题可能是由制造及装配过程中，设计过盈配合未完全接触导致异响，因此，在不考虑工艺性的基础上，我们针对硬盘架结构，在如下位置增加焊点用以模拟完全的过盈配合，进行验证，设计方案共三种，如下图所示。
图4 设计方案
针对以上三种建议，分别改变分析模型，频率分析结果对比如下：表2 改进方案固有频率对比
| 方案 | 原始设计 | 方案一 | 方案二 | 方案三 | | 频率 | 130Hz
119Hz
125Hz | 107Hz
124Hz
131Hz | 108Hz
124Hz
128Hz | 108Hz
124Hz
131Hz |
原始设计中存在119Hz固有频率，非常接近硬盘的固有频率，有可能发生共振，通过铆钉增加硬盘架刚度，可以限制一些振动的方向，并且使系统共振频率升高，从而避开危险频率。同时可以看出，制造公差对固有频率有很大影响。
4.结论
通过以上分析可知，合理的固定方式以及误差控制对于装配便捷性及振动噪声问题的解决有重要的意思。
仿真分析可以在设计阶段发现问题，及时反馈给设计人员，并通过仿真测试验证寻求最优解进行修改，从而减少修模次数，降低了研发成本，缩短了开发时间。因此，仿真分析对产品的设计开发有重要意义。(end)
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(4/27/2010) |
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