基于ABAQUS的服務(wù)器跌落仿真與實驗研究

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)器與存儲技術(shù)國家重點實驗室，濟南 250101）

0 引言

服務(wù)器產(chǎn)品在出廠前需要經(jīng)過試驗驗證，滿足某方面的標準才能出貨。其中包裝運輸?shù)渫ㄟ^實驗驗證是服務(wù)器產(chǎn)品出廠前最基本的測試要求。

傳統(tǒng)的流程是樣機—試驗—結(jié)構(gòu)改進—樣機—試驗。往往為了通過試驗，需要如此反復(fù)數(shù)次。不僅導(dǎo)致開發(fā)費用上升，甚至嚴重延誤開發(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)計缺陷，很多大型企事業(yè)單位及研究機構(gòu)都將仿真分析納入了正向流程。但仿真的大量引入也會帶來一個問題。錯誤的定性仿真結(jié)果與精度較差定量的仿真結(jié)果往往導(dǎo)致設(shè)計人員做出錯誤的決策，因此仿真分析的精度提升顯得越發(fā)重要。采用顯式算法的動力學(xué)仿真計算，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化處理方法，選取合適的緩沖包裝的材料本構(gòu)模型，通過對某服務(wù)器進行包裝跌落仿真分析與實驗對標驗證方法的可靠性。

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)點服務(wù)器，它主要由機箱底板、機箱蓋、主板、硬盤、散熱器、電源、風(fēng)扇、前窗、后窗等組成。對于等壁厚鈑金結(jié)構(gòu)劃分為減縮積分殼單元S4R，對于散熱器、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。動力學(xué)顯式算法中時間步長近似公式為

式中：L為單元特征長度；c為材料中的聲速。

顯式算法是條件穩(wěn)定的，計算步長需要小于Δt才能保證解的收斂性。為了保證計算速度，單元不宜太?。坏邢拊碾x散性又要求網(wǎng)格不能太大才能保證精度。因此需要在計算速度與精度之間做一個權(quán)衡。

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

1.2 網(wǎng)格質(zhì)量檢查

在動力學(xué)計算中，由于沖擊速度大、時間短，單元變形較大。網(wǎng)格質(zhì)量對計算結(jié)果影響較大，前處理完成后，對網(wǎng)格進行質(zhì)量檢查非常必要。單元常用檢查項列于表1。

表1 單元檢查項及推薦值

需要說明的是，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。因此在其他幾個因素得到控制后重點關(guān)注有限元連接方式。實際服務(wù)器結(jié)構(gòu)中常用的連接方式有鉚釘、螺釘、焊接、滑動副等。對于螺釘采用rbe2+beam+rbe2的方式建模，焊接采用共節(jié)點方式進行部件之間連接。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

機箱蓋、機箱底板、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，屈服準則選擇米塞斯。電源、散熱器等實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)計了一個簡化壓縮實驗，如圖4所示。

圖4 簡單實驗示意圖

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

表3 本構(gòu)模型選擇實驗仿真與實測對比

2 仿真計算

為便于與實驗進行比較，本文僅進行單面跌落仿真，仍具有普適性——即當(dāng)此面跌落仿真與實驗對比精度達標時，其他面亦能達到相應(yīng)的精度。實驗時，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)能曲線與動能曲線基本對稱，總能量/初始動能的比值在0.995～1.050之間波動。因此本次仿真計算模型可靠。

3 跌落仿真與實驗對標

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力學(xué)方程，該方法不具有算法阻尼，無法消掉虛假的高頻響應(yīng)[2]。節(jié)點的加速度時域信號往往淹沒在噪聲中。本文首先提取相應(yīng)節(jié)點的位移信號經(jīng)過二次求導(dǎo)得出加速度響應(yīng)曲線[3]。

3.2 跌落實驗

以與仿真同等的條件進行服務(wù)器帶包裝跌落，將服務(wù)器放置到跌落機上，升到相應(yīng)高度釋放，進行自由落體。跌落前在箱耳位置布置加速度傳感器。實驗現(xiàn)場如圖7所示。

圖8為面跌落時箱耳處加速度時程曲線。

圖7 實驗現(xiàn)場圖

圖8 箱耳位置加速度實測曲線

3.3 對標與分析

仿真完成后提取箱耳處加速度響應(yīng)時程曲線與實測曲線進行比較，如圖9所示。

從圖9中可以看出，仿真曲線與實測曲線走勢基本一致，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測比較

4 結(jié)語

本文通過對某型號帶包裝服務(wù)器進行跌落仿真，總結(jié)了包含材料本構(gòu)模型在內(nèi)的動態(tài)仿真分析的相關(guān)經(jīng)驗和方式方法。并通過實驗驗證了該經(jīng)驗與方法的有效性。

實驗表明，采用本文的方法進行服務(wù)器包裝跌落仿真，其精度達標，加速度對標精度可達90%，可以為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計提供理論指導(dǎo)。同時仿真分析可節(jié)省實驗時間、節(jié)約樣機數(shù)，對縮短研發(fā)周期、降低開發(fā)成本有著重要的實用價值。