Abaqus在一體機(jī)整機(jī)分析中的應(yīng)用

　　本文利用Abaqus/Explicit 對(duì)一體機(jī)的沖擊過(guò)程進(jìn)行模擬，并提取其位移及應(yīng)變信息，預(yù)測(cè)其可能發(fā)生的結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)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(dòng)力學(xué)問(wèn)題和準(zhǔn)靜態(tài)問(wèn)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(wèn)題。該方法可以在時(shí)域上精確地捕捉結(jié)構(gòu)的響應(yīng)歷程。

 　　一體機(jī)并非簡(jiǎn)單的將主機(jī)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(shí)，一體機(jī)基本沿用傳統(tǒng)臺(tái)式機(jī)的測(cè)試要求，因此，在前期設(shè)計(jì)中，仿真工作更有發(fā)展的必要。

                                

 圖1 沖擊方向示意圖

　　沖擊作為試驗(yàn)的一個(gè)重要試驗(yàn)項(xiàng)目，其屬于實(shí)物試驗(yàn)，多在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)后期進(jìn)行。要評(píng)估一體機(jī)受到?jīng)_擊載荷時(shí)的響應(yīng)，需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試和分析模擬。與物理實(shí)驗(yàn)相比，仿真模擬有著明顯的優(yōu)勢(shì)：提供重復(fù)結(jié)果和模型上任意點(diǎn)的信息（應(yīng)力、應(yīng)變、加速度等等），成本低，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，任意階段都可以進(jìn)行模擬。可在模型設(shè)計(jì)初始、實(shí)物樣機(jī)制造出來(lái)之前進(jìn)行沖擊響應(yīng)分析，能夠有效地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷。

 　　在一體機(jī)沖擊實(shí)驗(yàn)中，對(duì)機(jī)箱的六個(gè)面做沖擊測(cè)試（上圖），需要滿(mǎn)足無(wú)功能及外觀損壞的標(biāo)準(zhǔn)。本文主要關(guān)注沖擊過(guò)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(jī)有限元模型利用原有三維設(shè)計(jì)圖檔，采用 Hyper mesh 抽取劃分網(wǎng)格（圖 2），在塑膠面板的重要結(jié)構(gòu)處對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，電源、光驅(qū)、硬盤(pán)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(duì)整機(jī)做沖擊分析，比較關(guān)心的是塑膠面板的配合以及硬盤(pán)，電源等關(guān)鍵部件帶來(lái)的影響。

 

圖2 一體機(jī)整機(jī)有限元模型

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(pán)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(shí)充分利用 ABAQUS 自動(dòng)計(jì)算并調(diào)整參考點(diǎn)至質(zhì)心的功能建立參考點(diǎn)來(lái)定義。

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

　　沖擊波形按實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)情況定義。

 

4.Abaqus/Explicit 模擬結(jié)果

 

作為一個(gè)復(fù)雜的裝配件，出現(xiàn)問(wèn)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(gè)部件在沖擊過(guò)程中的碰撞情況。 隨著屏幕的尺寸以及長(zhǎng)寬比的擴(kuò)大，屏幕在沖擊過(guò)程中的受力情況越來(lái)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(dòng)畫(huà)模擬，其中部變形仍然很大，考慮到仿真模型沒(méi)有考慮到全部部件，對(duì)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的一體機(jī)而言，屏幕和其他部件有碰撞的可能，這在后續(xù)的測(cè)試結(jié)果中也有體現(xiàn)

                圖3 應(yīng)屏幕所受應(yīng)力                                                          圖4 一體機(jī)屏幕變形示意圖

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?yàn)閮?nèi)部所有部件的重量幾乎全部有類(lèi)似的六顆螺釘固定，因此在沖擊過(guò)程中受力明顯，在支柱附近如下圖

圖5 一體機(jī)塑料邊框應(yīng)力應(yīng)變示意圖

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(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

 

從以上仿真分析結(jié)果來(lái)看，一體機(jī)的主要問(wèn)題存在于屏幕以及塑膠邊框，測(cè)試結(jié)果也顯示，樣機(jī)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。

 

                    圖6 一體機(jī)沖擊試驗(yàn)示意圖                                                           圖7 沖擊測(cè)試后屏幕損壞示意圖

綜合分析過(guò)程中所做的簡(jiǎn)化及材料等的差異，Abaqus 分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。驗(yàn)證了有限元分析的準(zhǔn)確性，因此該方法對(duì)此類(lèi)裝配問(wèn)題的預(yù)測(cè)有一定的作用。經(jīng)過(guò)建議改進(jìn)，樣機(jī)順利通過(guò)測(cè)試。

 

6.結(jié)論

 

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

　　 在一體機(jī)的設(shè)計(jì)階段采用 CAE 技術(shù)對(duì)一體機(jī)在運(yùn)輸及使用過(guò)程中發(fā)生的沖擊情況進(jìn)行仿真，可以使設(shè)計(jì)人員方便的觀測(cè)到設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品性能的影響。在設(shè)計(jì)階段就可以預(yù)知設(shè)計(jì)缺陷，并進(jìn)行改進(jìn)，加快了研發(fā)進(jìn)度。

 　　通過(guò)對(duì)一體機(jī)做仿真分析和實(shí)際實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，我們得到了沖擊過(guò)程中的細(xì)節(jié)信息，驗(yàn)證了 Abaqus/Explicit 對(duì)一體機(jī)進(jìn)行沖擊分析的可行性。也為我們驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行性提供了一定的依據(jù)。