基于Abaqus的電腦主機(jī)跌落和沖擊的有限元分析

本文以某服務(wù)器產(chǎn)品的有限元仿真分析為例,闡述了應(yīng)用大型非線性軟件Abaqus 進(jìn)行有限元分析的CAE 分析流程,從角跌落與沖擊方面介紹了Abaqus 在顯式求解方面的強(qiáng)大功能,分析結(jié)果對(duì)于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了有利的支持。

    Abaqus 是一種大型有限元分析軟件,不僅具有友好的用戶(hù)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(wèn)題和準(zhǔn)靜態(tài)問(wèn)題,特別是用于模擬短暫、瞬時(shí)的動(dòng)態(tài)事件,如沖擊和爆炸問(wèn)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(wèn)題。本文即應(yīng)用Abaqus/Explicit 顯式求解算法對(duì)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(jì)算。
   
    分析流程介紹
   
    隨著仿真分析技術(shù)的日益普及,單個(gè)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(gè)部件組成的整機(jī)系統(tǒng),期望通過(guò)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(guò)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(jì),是一項(xiàng)系統(tǒng)而復(fù)雜的任務(wù)。所以對(duì)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(jiàn)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(pán),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(yàn)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(dòng)力學(xué)分析,顯式算法。
   
    2. 建立CAE 模型
   
    模型如何簡(jiǎn)化:根據(jù)分析任務(wù)可以適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行模型簡(jiǎn)化,對(duì)于不關(guān)注的區(qū)域可以以集中質(zhì)量點(diǎn)來(lái)替代,以此縮短分析的時(shí)間;
   
    本分析中由于硬盤(pán)區(qū)域在跌落和沖擊中不會(huì)發(fā)生異常(已有多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證),故采用簡(jiǎn)化方法來(lái)處理。而對(duì)于重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域以及可能會(huì)存在風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域則要以詳細(xì)的網(wǎng)格來(lái)建模。
   
    該產(chǎn)品的CAD 模型與CAE 模型見(jiàn)圖2 所示。除硬盤(pán)以集中質(zhì)量點(diǎn)來(lái)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(lèi)型和劃分:目前對(duì)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(guò)Bull 計(jì)算對(duì)各種幾何完成網(wǎng)格劃分,并且通過(guò)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(lèi)型來(lái)決定單元的類(lèi)型和處理是非常關(guān)鍵的,本例中需要進(jìn)行的是動(dòng)力學(xué)計(jì)算,所以需要考慮模型的求解步長(zhǎng),太小的時(shí)間步長(zhǎng)則會(huì)浪費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)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(duì)時(shí)間步長(zhǎng)產(chǎn)生影響。故在單元處理的時(shí)候,需要協(xié)調(diào)好二者之間的關(guān)系,控制好最小單元長(zhǎng)度,從而使時(shí)間步長(zhǎng)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(guò)螺栓進(jìn)行連接的。螺栓之間的連接可以簡(jiǎn)化為剛性連接。Abaqus 中可以用tie以及couple 關(guān)系來(lái)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(huì)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(duì),分析者需要對(duì)這種接觸對(duì)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(duì),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: