基于ABAQUS的服務(wù)器跌落仿真與實(shí)驗(yàn)研究

張海龍

（浪潮電子信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司 高效能服務(wù)器與存儲(chǔ)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250101）

0 引言

服務(wù)器產(chǎn)品在出廠前需要經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，滿足某方面的標(biāo)準(zhǔn)才能出貨。其中包裝運(yùn)輸?shù)渫ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是服務(wù)器產(chǎn)品出廠前最基本的測(cè)試要求。

傳統(tǒng)的流程是樣機(jī)—試驗(yàn)—結(jié)構(gòu)改進(jìn)—樣機(jī)—試驗(yàn)。往往為了通過(guò)試驗(yàn)，需要如此反復(fù)數(shù)次。不僅導(dǎo)致開發(fā)費(fèi)用上升，甚至嚴(yán)重延誤開發(fā)周期，給企業(yè)造成重大損失。為了縮短開發(fā)周期，提前預(yù)判設(shè)計(jì)缺陷，很多大型企事業(yè)單位及研究機(jī)構(gòu)都將仿真分析納入了正向流程。但仿真的大量引入也會(huì)帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題。錯(cuò)誤的定性仿真結(jié)果與精度較差定量的仿真結(jié)果往往導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員做出錯(cuò)誤的決策，因此仿真分析的精度提升顯得越發(fā)重要。采用顯式算法的動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，影響仿真精度的主要因素有網(wǎng)格尺寸、單元類型、有限元連接方式、材料模型等。

本文將使用成熟的模型簡(jiǎn)化處理方法，選取合適的緩沖包裝的材料本構(gòu)模型，通過(guò)對(duì)某服務(wù)器進(jìn)行包裝跌落仿真分析與實(shí)驗(yàn)對(duì)標(biāo)驗(yàn)證方法的可靠性。

1 服務(wù)器有限元前處理

1.1 前處理

本次分析產(chǎn)品為單節(jié)點(diǎn)服務(wù)器，它主要由機(jī)箱底板、機(jī)箱蓋、主板、硬盤、散熱器、電源、風(fēng)扇、前窗、后窗等組成。對(duì)于等壁厚鈑金結(jié)構(gòu)劃分為減縮積分殼單元S4R，對(duì)于散熱器、電源等結(jié)構(gòu)，三向尺寸相當(dāng)，劃分為減縮積分六面體單元C3D8R。

關(guān)于單元尺寸的選取需要非常慎重。動(dòng)力學(xué)顯式算法中時(shí)間步長(zhǎng)近似公式為

式中：L為單元特征長(zhǎng)度；c為材料中的聲速。

顯式算法是條件穩(wěn)定的，計(jì)算步長(zhǎng)需要小于Δt才能保證解的收斂性。為了保證計(jì)算速度，單元不宜太小；但有限元的離散性又要求網(wǎng)格不能太大才能保證精度。因此需要在計(jì)算速度與精度之間做一個(gè)權(quán)衡。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，本次分析，服務(wù)器總成網(wǎng)格尺寸為殼單元4～6 mm，實(shí)體單元6～10 mm。整個(gè)模型共劃分網(wǎng)格36萬(wàn)。

1.2 網(wǎng)格質(zhì)量檢查

在動(dòng)力學(xué)計(jì)算中，由于沖擊速度大、時(shí)間短，單元變形較大。網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大，前處理完成后，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行質(zhì)量檢查非常必要。單元常用檢查項(xiàng)列于表1。

表1 單元檢查項(xiàng)及推薦值

需要說(shuō)明的是，三角形是常應(yīng)變單元（如圖2），精度低、剛度大。為了保證計(jì)算精度，整體模型中三角形單元占比不能大于3%。重要的連接部位不要出現(xiàn)三角形單元，避免進(jìn)入塑性后連接部位失去支撐能力而形成塑性鉸。

圖1 帶包裝模型有限元模型圖

圖2 避免出現(xiàn)三角形單元的部位

1.3 有限元連接

影響仿真結(jié)果的重要因素主要有：模型簡(jiǎn)化方式、網(wǎng)格尺寸與質(zhì)量、材料模型、有限元連接方式。因此在其他幾個(gè)因素得到控制后重點(diǎn)關(guān)注有限元連接方式。實(shí)際服務(wù)器結(jié)構(gòu)中常用的連接方式有鉚釘、螺釘、焊接、滑動(dòng)副等。對(duì)于螺釘采用rbe2+beam+rbe2的方式建模，焊接采用共節(jié)點(diǎn)方式進(jìn)行部件之間連接。地面部分采用剛性墻模擬。常用螺栓連接示意圖如圖3所示。

圖3 常用螺栓連接示意圖

1.4 材料本構(gòu)關(guān)系模型選擇

機(jī)箱蓋、機(jī)箱底板、風(fēng)扇支架、電源把手等鈑金件采用彈塑性材料，硬化模型選擇等向硬化，屈服準(zhǔn)則選擇米塞斯。電源、散熱器等實(shí)體部件采用線彈性材料模型。主要金屬及塑料材料參數(shù)列于表2。

表2 主要金屬及塑料材料參數(shù)表[1]

在跌落沖擊仿真中，泡沫材料模型選擇是否恰當(dāng)對(duì)沖擊仿真的結(jié)果影響至關(guān)重要。ABAQUS軟件提供了Hyperelastic、Hyperfoam、Lowdensityfoam等幾種材料模型可供選擇。為了選擇合適的模型，本章節(jié)設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)化壓縮實(shí)驗(yàn)，如圖4所示。

圖4 簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)示意圖

此實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用2種不同本構(gòu)關(guān)系，分別進(jìn)行仿真分析。泡棉壓縮量仿真值與實(shí)測(cè)值匯總于表3。從表3可以看出，采用低密度泡沫模型，仿真所得變形與實(shí)驗(yàn)值比較吻合，材料模型選擇合適。

表3 本構(gòu)模型選擇實(shí)驗(yàn)仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比

2 仿真計(jì)算

為便于與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較，本文僅進(jìn)行單面跌落仿真，仍具有普適性——即當(dāng)此面跌落仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比精度達(dá)標(biāo)時(shí)，其他面亦能達(dá)到相應(yīng)的精度。實(shí)驗(yàn)時(shí)，產(chǎn)品自高處自由落體，撞擊剛性地面。仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 裸機(jī)應(yīng)力云圖

圖6 能量曲線

從圖5、圖6可以看出，沙漏能占總能量的5.6%，小于規(guī)定的10%；內(nèi)能曲線與動(dòng)能曲線基本對(duì)稱，總能量/初始動(dòng)能的比值在0.995～1.050之間波動(dòng)。因此本次仿真計(jì)算模型可靠。

3 跌落仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)標(biāo)

3.1 仿真加速度提取

由于ABAQUS/Explicit求解器采用中心差分法求解動(dòng)力學(xué)方程，該方法不具有算法阻尼，無(wú)法消掉虛假的高頻響應(yīng)[2]。節(jié)點(diǎn)的加速度時(shí)域信號(hào)往往淹沒(méi)在噪聲中。本文首先提取相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的位移信號(hào)經(jīng)過(guò)二次求導(dǎo)得出加速度響應(yīng)曲線[3]。

3.2 跌落實(shí)驗(yàn)

以與仿真同等的條件進(jìn)行服務(wù)器帶包裝跌落，將服務(wù)器放置到跌落機(jī)上，升到相應(yīng)高度釋放，進(jìn)行自由落體。跌落前在箱耳位置布置加速度傳感器。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。

圖8為面跌落時(shí)箱耳處加速度時(shí)程曲線。

圖7 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

圖8 箱耳位置加速度實(shí)測(cè)曲線

3.3 對(duì)標(biāo)與分析

仿真完成后提取箱耳處加速度響應(yīng)時(shí)程曲線與實(shí)測(cè)曲線進(jìn)行比較，如圖9所示。

從圖9中可以看出，仿真曲線與實(shí)測(cè)曲線走勢(shì)基本一致，最大值誤差不到10%。因此，所選包裝材料本構(gòu)模型與模型處理方法是合理的，精度可以接受。

圖9 箱耳處加速度曲線仿真與實(shí)測(cè)比較

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)某型號(hào)帶包裝服務(wù)器進(jìn)行跌落仿真，總結(jié)了包含材料本構(gòu)模型在內(nèi)的動(dòng)態(tài)仿真分析的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和方式方法。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該經(jīng)驗(yàn)與方法的有效性。

實(shí)驗(yàn)表明，采用本文的方法進(jìn)行服務(wù)器包裝跌落仿真，其精度達(dá)標(biāo)，加速度對(duì)標(biāo)精度可達(dá)90%，可以為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。同時(shí)仿真分析可節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間、節(jié)約樣機(jī)數(shù)，對(duì)縮短研發(fā)周期、降低開發(fā)成本有著重要的實(shí)用價(jià)值。