機(jī)架式通用服務(wù)器機(jī)箱應(yīng)變仿真及測(cè)試分析

龔寶龍

（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，山東 濟(jì)南250101）

0 引言

服務(wù)器內(nèi)部元器件數(shù)量眾多，機(jī)箱承受較大載荷，一些服務(wù)器機(jī)箱在機(jī)架上放置一段時(shí)間后出現(xiàn)明顯變形，搬運(yùn)過程中的振動(dòng)也可能導(dǎo)致機(jī)箱大幅度變形，這些變形可能對(duì)機(jī)箱內(nèi)部的主板及其他元器件造成嚴(yán)重?fù)p傷［1－2］。因此，研究服務(wù)器機(jī)箱的應(yīng)力應(yīng)變及變形分布規(guī)律，對(duì)機(jī)箱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)機(jī)箱的使用壽命，降低服務(wù)器的故障率有重要意義。目前，采用電阻應(yīng)變片電測(cè)法進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量是對(duì)工程產(chǎn)品可靠性進(jìn)行測(cè)試分析的常用手段，廣泛應(yīng)用在各個(gè)工程領(lǐng)域［3－4］。應(yīng)用模擬仿真技術(shù)對(duì)機(jī)箱產(chǎn)品進(jìn)行靜態(tài)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)分析也是經(jīng)常采用的重要方法和手段［5］，模擬仿真與試驗(yàn)測(cè)試相比具有研究周期短、投資小、分析結(jié)果豐富等特點(diǎn)。

1 機(jī)箱的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試

1.1 測(cè)試模型

測(cè)試通用服務(wù)器為標(biāo)準(zhǔn)2U（1U＝44.45mm）機(jī)架式服務(wù)器型號(hào)為NF5270M3，如圖1所示，最大可支持24個(gè)熱插拔2.5寸或者12個(gè)3.5寸SATA／SAS接口硬盤或固態(tài)磁盤。

服務(wù)器機(jī)箱材料為熱浸鍍鋅鋼板（俗稱GI或SGCC），該材料防銹蝕性能好，耐候性強(qiáng)，外觀美觀且易加工。機(jī)箱材料物理性能如表1所示。

圖1 通用機(jī)架式服務(wù)器NF5270M3

表1 機(jī)箱材料物理性能

1.2 測(cè)試方法

通用服務(wù)器機(jī)箱承載較重載荷，變形量較大部位為底座，故底座的應(yīng)力應(yīng)變分布情況最為復(fù)雜。本測(cè)試在底座底面中間位置打磨4個(gè)光滑平面，進(jìn)行直角應(yīng)變花貼片接線，直角應(yīng)變花由2個(gè)相互垂直的電阻應(yīng)變片組成，可測(cè)出相互垂直2個(gè)方向的應(yīng)力應(yīng)變，一個(gè)直角應(yīng)變花需占用兩個(gè)數(shù)據(jù)采集通道。機(jī)箱底座直角應(yīng)變花貼片如圖2所示。

圖2 機(jī)箱底座直角應(yīng)變花貼片

機(jī)箱空載狀態(tài)下進(jìn)行貼片連線，開啟測(cè)量?jī)x器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，待數(shù)據(jù)平穩(wěn)后將空機(jī)箱搬至機(jī)柜，待數(shù)據(jù)再次平穩(wěn)后開始在機(jī)箱內(nèi)部放置主板、電源及硬盤直到滿載狀態(tài)。

1.3 測(cè)試系統(tǒng)

應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)的敏感元件為電阻應(yīng)變片，被測(cè)物在外載荷作用下產(chǎn)生變形，貼于被測(cè)點(diǎn)表面的應(yīng)變片阻值發(fā)生變化，電阻應(yīng)變片將電荷信號(hào)傳遞至應(yīng)變適配器，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后輸送至測(cè)試儀，即可測(cè)量出被測(cè)物表面測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變，通過胡克定律可求出被測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力［6］。測(cè)試儀器采用DH5922應(yīng)變測(cè)試儀，該儀器有10個(gè)信號(hào)采集通道，各通道設(shè)置每秒采集10個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)，橋路連線采用1／4橋路，測(cè)試系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

表2 應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)參數(shù)

直角應(yīng)變花粘貼完成后，各通道數(shù)據(jù)連接至應(yīng)變適配器、信號(hào)采集箱和計(jì)算機(jī)，連接后的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)

2 機(jī)箱結(jié)構(gòu)靜態(tài)仿真

2.1 數(shù)學(xué)方程

采用Ansys Workbench仿真軟件Static Structural模塊，對(duì)機(jī)箱簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)有限元仿真。有限單元法的通用方程式［7］為：

｛F｝為節(jié)點(diǎn)載荷列陣；［K］為單元?jiǎng)偠染仃嚕唬模秊楣?jié)點(diǎn)位移列陣。

求出節(jié)點(diǎn)位移后，便可通過單元幾何矩陣［B］計(jì)算出應(yīng)變和應(yīng)力，單元幾何矩陣反映單元任一節(jié)點(diǎn)應(yīng)變與位移之間的關(guān)系。

材料在彈性變形階段，其應(yīng)力和應(yīng)變成正比例關(guān)系（即符合胡克定律）：

σ＝Eε （2）

σ為應(yīng)力；E為彈性模量；ε為應(yīng)變。

2.2 幾何模型

為便于仿真計(jì)算，需對(duì)機(jī)架式通用服務(wù)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，刪減不受力零件，簡(jiǎn)化次要復(fù)雜特征，簡(jiǎn)化幾何模型由硬盤架、風(fēng)扇架、電源架、后窗和底座組成。

2.3 網(wǎng)格劃分

圖4 機(jī)架式通用服務(wù)器網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分如圖4所示，機(jī)箱簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)為鈑金件，厚度為0.8mm或1mm，選用適合于薄板的網(wǎng)格劃分方法Multizone及Thin Sweep方法。網(wǎng)格單元為六面體單元，平均尺寸為3～10mm，機(jī)箱網(wǎng)格劃分后有39 159單元，211 205節(jié)點(diǎn)。

2.4 邊界條件

設(shè)定機(jī)箱材料為GI鋼板，完善GI鋼板相關(guān)參數(shù)。對(duì)機(jī)箱兩側(cè)壁面施加固定約束，可模擬機(jī)箱放置于機(jī)柜中的狀態(tài)。機(jī)箱載荷分為兩類，自重及內(nèi)部元器件載荷。風(fēng)扇及散熱器質(zhì)量較小，主板質(zhì)量小且放置面積大，故在仿真中忽略不計(jì)。在硬盤架底板處施加等效于12個(gè)硬盤重量的均布載荷，在電源架底板處施加等效于2個(gè)電源重量的均布載荷，對(duì)機(jī)箱整機(jī)施加自重載荷。

3 結(jié)果與分析

3.1 測(cè)試結(jié)果與分析

機(jī)箱底座貼片點(diǎn)應(yīng)變隨時(shí)間變化如圖5所示，縱坐標(biāo)為微應(yīng)變?chǔ)苔?，等?0－6應(yīng)變。每個(gè)貼片點(diǎn)有2個(gè)通道分別代表沿機(jī)箱前后方向的縱向及沿機(jī)箱左右方向的橫向。0～40s間，將空載機(jī)箱搬至機(jī)柜，50s時(shí)機(jī)箱處于空載掛置狀態(tài)，70～180s間，向機(jī)箱裝載部件（主板、硬盤、電源），200s后，機(jī)箱處于滿載掛置狀態(tài)。

圖5 機(jī)箱底座貼片點(diǎn)應(yīng)變隨時(shí)間變化

由圖5可知，機(jī)箱滿載狀態(tài)時(shí)，A點(diǎn)2通道的應(yīng)變大于1通道，即A點(diǎn)的主應(yīng)變方向是橫向。A點(diǎn)處于硬盤下方，硬盤擠壓機(jī)箱底座產(chǎn)生應(yīng)變，橫向應(yīng)變大約是縱向應(yīng)變的2倍。B點(diǎn)3通道的應(yīng)變大于4通道，即B點(diǎn)的主應(yīng)變方向是縱向。這也是由硬盤重載引起的，B點(diǎn)處于硬盤架與風(fēng)扇架中間，硬盤架底部的變形對(duì)B點(diǎn)有縱向扯拽作用，B點(diǎn)橫向的應(yīng)變較小。C點(diǎn)和D點(diǎn)的變化過程相似，橫向與縱向的應(yīng)變差距不大，兩個(gè)方向都可以看做主應(yīng)變方向。

比較滿載狀態(tài)下4個(gè)點(diǎn)的主應(yīng)變大小，A點(diǎn)＞B點(diǎn)＞D點(diǎn)＞C點(diǎn)。機(jī)箱底座載荷最大的位置處于前側(cè)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察前側(cè)的下沉變形量也是最大，A點(diǎn)的應(yīng)變最大；B點(diǎn)同樣受到硬盤重壓作用，其應(yīng)變也較大；D點(diǎn)受到電源下壓作用，其拉應(yīng)變大于C點(diǎn)。比較空載狀態(tài)下4個(gè)點(diǎn)的應(yīng)變大小，C點(diǎn)比其余點(diǎn)較大。A，B，D點(diǎn)處于硬盤架、風(fēng)扇架和電源架附近，硬盤架、風(fēng)扇架和電源架通過鉚接裝配到機(jī)箱底座，對(duì)機(jī)箱結(jié)構(gòu)起到加強(qiáng)作用。

3.2 仿真結(jié)果與分析

機(jī)箱整機(jī)等效應(yīng)力分布如圖6所示，由圖6中可知，等效應(yīng)力最大值位于機(jī)箱底座底面邊前側(cè)折彎處，由于硬盤重載的作用，機(jī)箱前側(cè)下沉變形量大，對(duì)邊前側(cè)折彎處有擠壓彎折作用，引起較大的應(yīng)變。整機(jī)前半部分的應(yīng)力大于后半部分，故在機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，要加大機(jī)箱前側(cè)的強(qiáng)度。機(jī)箱等效應(yīng)變分布規(guī)律與等效應(yīng)力相同，最大值位于機(jī)箱底座底面邊前側(cè)折彎處。

圖6 機(jī)箱整機(jī)等效應(yīng)力分布

為進(jìn)一步驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，在機(jī)箱滿載狀態(tài)下比較貼片點(diǎn)測(cè)試與仿真結(jié)果，分析主應(yīng)變大小，如表3所示。通過分析比較，4個(gè)貼片點(diǎn)測(cè)試值與仿真值得誤差在10%以內(nèi)，且主應(yīng)力方向相同，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性及準(zhǔn)確性。

表3 貼片點(diǎn)測(cè)試與仿真結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)4個(gè)貼片點(diǎn)的測(cè)試分析，前側(cè)點(diǎn)的應(yīng)變最大，主要由硬盤滿載所致。硬盤架、風(fēng)扇架、電源架通過鉚接裝配到機(jī)箱底座，對(duì)機(jī)箱結(jié)構(gòu)起到加強(qiáng)作用。仿真研究結(jié)果表明，硬盤的重載導(dǎo)致機(jī)箱前側(cè)的應(yīng)變普遍偏大，機(jī)箱等效應(yīng)變最大值位于機(jī)箱底座底面邊前側(cè)折彎處，整機(jī)前半部分的應(yīng)變大于后半部分，故在機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，要加大機(jī)箱前側(cè)的強(qiáng)度；最大變形量位于機(jī)箱前側(cè)中間處；最大等效應(yīng)變值及變形量滿足設(shè)計(jì)要求。仿真及測(cè)試結(jié)果誤差小于10%，仿真結(jié)果可靠準(zhǔn)確。

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