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Abaqus在一體機(jī)整機(jī)跌落分析中的應(yīng)用

來源: | 作者:thinks | 發(fā)布時(shí)間: 2020-11-25 | 2852 次瀏覽 | 分享到:

1. 概述
   跌落測試是電腦進(jìn)入量產(chǎn)前的一個(gè)重要試驗(yàn)項(xiàng)目,需要實(shí)物試驗(yàn),多在產(chǎn)品開發(fā)后期進(jìn)
行,可以模擬評估產(chǎn)品在運(yùn)輸過程中意外跌落等情況下結(jié)構(gòu)的可靠性。
  
實(shí)物試驗(yàn)的缺點(diǎn)是需要實(shí)驗(yàn)后驗(yàn)證,即只有在試驗(yàn)完成后才知道設(shè)計(jì)是否有缺陷,而此時(shí)修改設(shè)計(jì)花費(fèi)的時(shí)間和費(fèi)用較高,不利于產(chǎn)品快速推向市場。有關(guān)研究表明,在新產(chǎn)品的研制過程中,約 70-80%的成本耗費(fèi)于設(shè)計(jì)階段。因?yàn)樵谶@個(gè)過程中,存在著因產(chǎn)品設(shè)計(jì)存在缺陷而導(dǎo)致產(chǎn)品重復(fù)修改、甚至重新設(shè)計(jì)。造成產(chǎn)品成本上升、不能按時(shí)投放市場。利用計(jì)算機(jī)仿真方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)耐撞性的分析可以有效地提高產(chǎn)品的可靠性,降低開發(fā)成本,提高產(chǎn)品的市場競爭能力。

一體機(jī)實(shí)現(xiàn)了主機(jī)與顯示設(shè)備的整合,比傳統(tǒng)分體臺式機(jī)纖細(xì),節(jié)省桌面空間,但也導(dǎo)致結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜,同時(shí),其包裝以及運(yùn)輸方式與傳統(tǒng)臺式機(jī)無異,更容易出現(xiàn)問題,因此在前期設(shè)計(jì)中, 仿真工作可以發(fā)揮更大的作用。

ABAQUS/Explicit 可以求解復(fù)雜非線性動(dòng)力學(xué)問題,特別是用于模擬沖擊跌落及它高度不連續(xù)事件,如考慮塑性,接觸,材料失效等效應(yīng)的問題。使類似碰撞的結(jié)構(gòu)分析更準(zhǔn)確、更直觀,真實(shí)地描述結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形。

本文利用大型有限元軟件 Abaqus 對有 EPE 材料保護(hù)的一體機(jī)模型實(shí)現(xiàn)了模擬分析自由跌落的過程。跌落角度采用采用三棱六面一角的方案,重點(diǎn)關(guān)注前后面跌落帶來的影響。與沖擊測試不同,跌落測試主要關(guān)心外殼開裂,屏幕變形等沖擊測試中不易發(fā)現(xiàn)或損壞機(jī)理不同的現(xiàn)象。

Abaqus
 某一體臺式機(jī)示意圖


 2. 有限元模型

目前一體機(jī)構(gòu)造主要是由作為外殼,中板,以及附加在中板上功能性部件,如液晶屏, 硬盤,主板等構(gòu)成。其中,外殼一般為 ABS 材料,中板為 SPCC,主板為復(fù)合 PCB 材料。

一體機(jī)有限元模型利用原有Pro/E 三維設(shè)計(jì)圖檔,采用 Hyper  mesh 劃分網(wǎng)格(圖 2),在塑膠外殼等重要結(jié)構(gòu)處對網(wǎng)格進(jìn)行局部加密,電源、光驅(qū)、硬盤等外購件或沖擊跌落中較堅(jiān)固的部件只需考慮質(zhì)量效應(yīng),定義為剛體Rigid body并給予一定的密度,同時(shí)充分利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)來定義。一體機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,在跌落過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,從而大大簡化了模型的接觸定義。跌落分析模擬實(shí)際跌落中的物體的行為,一個(gè)實(shí)際的跌落測試一般將涉及在重力場中從某個(gè)高度釋放物體,允許它落下并與平的剛性面碰撞。因此,在邊界條件設(shè)定方面,根據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn),可以將高度根據(jù)公式 v=sqrt(2gh)轉(zhuǎn)換為模型的初速度,以減小計(jì)算時(shí)間。

Abaqus             Abaqus軟件            Abaqus軟件
                  某型號一體機(jī)主機(jī)                      某型號一體機(jī)包裝                             某型號一體機(jī)包裝組裝模型
3.Abaqus/Explicit 結(jié)果分析
一體機(jī)作為復(fù)雜的組合件,跌落過程出現(xiàn)問題主要為兩類,一是關(guān)鍵部件的大變形,如屏幕等,二是作為外殼的塑膠結(jié)構(gòu)件的發(fā)白乃至斷裂而造成的固定失效。其他問題一般在 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,但部變形大,由于仿真模型簡化,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以及卡扣附近應(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似的結(jié)構(gòu)固定,因此在跌落過程中受力明顯,在支柱附近如下圖


            跌落分析            跌落分析
                             應(yīng)屏幕所受應(yīng)力                                 體屏幕變形示意圖
Abaqus                     Abaqus軟件
一體機(jī)塑膠邊框應(yīng)力應(yīng)變示意圖
包裝材料在跌落過程中變形比較大,單元有被壓碎的可能,如果應(yīng)用網(wǎng)格重劃分功能, 計(jì)算量勢必大為增加,因此,采用合適的材料模型以及單元大小對結(jié)果有很大影響。下圖可以看到,包裝材料單元被擠壓嚴(yán)重變形,實(shí)際測試中,包裝材料在此處存在撕裂現(xiàn)象,但經(jīng)過簡化處理,Abaqus 可以正常處理這種情形,同時(shí),個(gè)別單元的大變形對整體結(jié)果的準(zhǔn)確度影響不大.
 跌落分析            跌落分析 
包裝材料單元變形示意圖
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。
4. 與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

  從以上仿真分析結(jié)果來看,一體機(jī)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(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。
abaqus軟件                   一體機(jī)
一體機(jī)跌落試驗(yàn)示意圖                                                     跌落試后開機(jī)屏幕異常白色

綜合分析過程中所做的簡化及材料等的差異,Abaqus 分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合,提前給設(shè)計(jì)人員給出了修改建議,驗(yàn)證了有限元分析的準(zhǔn)確性,因此該方法對此類問題的預(yù)測解決有一定的作用。

5. 結(jié)論
  

通過分析可以看出,包裝材料可以對整體結(jié)構(gòu)起到緩沖作用,但塑膠外殼和屏幕仍是需要關(guān)注的重點(diǎn)。如果能夠在設(shè)計(jì)前期對我們的產(chǎn)品進(jìn)行模擬運(yùn)輸及使用狀況的仿真的分析, 而不是全憑經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì),就可以使設(shè)計(jì)人員方便的查看設(shè)計(jì)對產(chǎn)品性能的影響,將部分設(shè)計(jì)缺陷解決在開模之前,縮短新產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間。同時(shí)可以增強(qiáng)設(shè)計(jì)師對產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的洞察力,提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

通過對一體機(jī)做仿真分析和實(shí)際實(shí)驗(yàn)的對比,我們得到了沖擊過程中的細(xì)節(jié)信息,驗(yàn)證Abaqus/Explicit 對一體機(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)可行性提供了較為可靠的依據(jù)。


來源:
聯(lián)想(北京)有限公司 王寶昆/江國棟

 



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