Abaqus在一體機整機分析中的應(yīng)用

 本文利用Abaqus/Explicit對一體機的沖擊過程進(jìn)行模擬，并提取其位移及應(yīng)變信息，預(yù)測其可能發(fā)生的結(jié)構(gòu)風(fēng)險，并與試驗結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性。

 1、概述

 ABAQUS/Explicit是求解復(fù)雜非線性動力學(xué)問題和準(zhǔn)靜態(tài)問題的理想程序，特別是用于模擬沖擊和其它高度不連續(xù)事件，如考慮塑性，接觸，材料失效等效應(yīng)的問題。該方法可以在時域上精確地捕捉結(jié)構(gòu)的響應(yīng)歷程。

 一體機并非簡單的將主機與顯示器整合在一起，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，較為成熟的顯示器相比，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量也相應(yīng)增加，同時，一體機基本沿用傳統(tǒng)臺式機的測試要求，因此，在前期設(shè)計中，仿真工作更有發(fā)展的必要。

 沖擊作為試驗的一個重要試驗項目，其屬于實物試驗，多在產(chǎn)品開發(fā)后期進(jìn)行。要評估一體機受到?jīng)_擊載荷時的響應(yīng)，需要結(jié)合實驗測試和分析模擬。與物理實驗相比，仿真模擬有著明顯的優(yōu)勢：提供重復(fù)結(jié)果和模型上任意點的信息（應(yīng)力、應(yīng)變、加速度等等），成本低，在設(shè)計過程中，任意階段都可以進(jìn)行模擬?？稍谀Ｐ驮O(shè)計初始、實物樣機制造出來之前進(jìn)行沖擊響應(yīng)分析，能夠有效地發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷。

 在一體機沖擊實驗中，對機箱的六個面做沖擊測試（上圖），需要滿足無功能及外觀損壞的標(biāo)準(zhǔn)。本文主要關(guān)注沖擊過程中主要結(jié)構(gòu)件的受力及損傷情況。

 2、有限元模型

 一體機有限元模型利用原有三維設(shè)計圖檔，采用Hypermesh抽取劃分網(wǎng)格（圖2），在塑膠面板的重要結(jié)構(gòu)處對網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，電源、光驅(qū)、硬盤等雖然很重要但只需考慮質(zhì)量效應(yīng)的部件定義為剛體。利用Abaqus/Explicit對整機做沖擊分析，比較關(guān)心的是塑膠面板的配合以及硬盤，電源等關(guān)鍵部件帶來的影響。

 3、Abaqus/Explicit分析設(shè)定

 文中鈑金件采用金屬材料，主板采用PCB材料，電源、硬盤等只需考慮質(zhì)量，所以將其定義為剛體，并給予一定的密度，同時充分利用ABAQUS自動計算并調(diào)整參考點至質(zhì)心的功能建立參考點來定義。

 一體機整機結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在沖擊過程中又存在大量的接觸，因此接觸定義中，均采用GeneralContact(Explicit)分析步，從而大大簡化了模型的接觸定義。

 沖擊波形按實驗標(biāo)準(zhǔn)情況定義。

 4、Abaqus/Explicit模擬結(jié)果

 作為一個復(fù)雜的裝配件，出現(xiàn)問題一般為關(guān)鍵部件的大變形，如屏幕等；結(jié)構(gòu)件的塑性應(yīng)變以及各個部件在沖擊過程中的碰撞情況。隨著屏幕的尺寸以及長寬比的擴(kuò)大，屏幕在沖擊過程中的受力情況越來越惡劣。如圖雖然屏幕中部應(yīng)力集中不是很明顯，但根據(jù)動畫模擬，其中部變形仍然很大，考慮到仿真模型沒有考慮到全部部件，對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的一體機而言，屏幕和其他部件有碰撞的可能，這在后續(xù)的測試結(jié)果中也有體現(xiàn)。

 塑膠外殼沖擊中固定螺柱附近應(yīng)力集中明顯，受力狀況如圖，因為內(nèi)部所有部件的重量幾乎全部有類似的六顆螺釘固定，因此在沖擊過程中受力明顯，在支柱附近如下圖

 根據(jù)仿真結(jié)果，我們建議在在屏幕后增加支撐，在塑膠外殼應(yīng)力集中處加大圓角，并增加肋板的料厚等措施，可以大大減小屏幕以及肋板的受破壞的情況。

 5、與實驗結(jié)果對比

 從以上仿真分析結(jié)果來看，一體機的主要問題存在于屏幕以及塑膠邊框，測試結(jié)果也顯示，樣機顯示異常，出現(xiàn)大片黑斑，經(jīng)判斷為屏幕碎裂，另外在前板塑膠螺柱支撐肋板附近有發(fā)白的現(xiàn)象。如下圖所示。

 綜合分析過程中所做的簡化及材料等的差異，Abaqus分析與實驗結(jié)果基本吻合。驗證了有限元分析的準(zhǔn)確性，因此該方法對此類裝配問題的預(yù)測有一定的作用。經(jīng)過建議改進(jìn)，樣機順利通過測試。

 6、結(jié)論

 一體機結(jié)構(gòu)緊湊，且共用大部分臺式機標(biāo)準(zhǔn)件，因此不僅要重視各部件的應(yīng)力應(yīng)變，同時也要考慮部件間的干涉及碰撞可能性。

 在一體機的設(shè)計階段采用CAE技術(shù)對一體機在運輸及使用過程中發(fā)生的沖擊情況進(jìn)行仿真，可以使設(shè)計人員方便的觀測到設(shè)計對產(chǎn)品性能的影響。在設(shè)計階段就可以預(yù)知設(shè)計缺陷，并進(jìn)行改進(jìn)，加快了研發(fā)進(jìn)度。

 通過對一體機做仿真分析和實際實驗的對比，我們得到了沖擊過程中的細(xì)節(jié)信息，驗證了Abaqus/Explicit對一體機進(jìn)行沖擊分析的可行性。也為我們驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計可行性提供了一定的依據(jù)。

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