搜索計算機系統防振的優化設計
2013-06-06 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
本文運用HyperMesh對一款計算機整機系統進行單元劃分,運用OptiStruct 對其固定側板進行結構優化,以提高其剛度,進而提高整機的剛度。同時優化后使得系統的固有頻率避開硬盤的工作頻段,有效避免了硬盤工作時硬盤與系統的共振。在保護硬盤的同時有效降低系統的噪聲。
馬映峰 辛志峰 員德強 來源:Altair
關鍵字:CAE HyperMesh OptiStruct 結構優化
1 概述
隨著計算機技術的發展,計算機已經成為人們工作中不可缺少的工具。作為計算機主要的存儲設備硬盤的存儲量也越來越大,隨之其安全性也越來越重要。在計算機的產品設計過程中如何有效避免硬盤運行時與系統發生共振則成為產品設計的關鍵。有效避免硬盤與系統的共振能夠在保護硬盤的同時降低系統的噪聲。
計算機系統的機箱主要是薄壁鈑金結構,兩個大側板由于其面積大是最容易產生振動的零件,同時也是對整個系統固有頻率影響最大的零件。在結構設計過程中如何優化兩個大側板的結構,增加其剛度,使整個系統的固有頻率避開硬盤的工作頻段即成為解決系統共振問題的主要突破點。在傳統的設計流程中,直到樣機測試時才知道是否會有共振出現,若發現有共振現象也只能采用加橡膠墊等補救措施來解決。這樣雖然也能解決問題但并沒有從根本上解決共振的問題,而且需要不斷實驗加長了設計周期。若在產品設計前期就使用OptiStruct 對幾個主要零件進行形貌優化,然后再對整機系統進行模態分析,使之避開硬盤的工作頻段,避免共振的發生則能夠降低成本,縮短設計周期,提高產品品質,在產品開發中將具有重要意義。圖一為結合優化設計的產品設計流程:
圖1 計算機系統優化設計流程
2 固定側板的優化分析
2.1優化模型的建立
圖2為一款計算機系統及其固定側板。此系統在測試時發現,開機硬盤讀取數據時有異音產生,經分析是系統與硬盤共振所致。本文運用HyperMesh對整個系統進行單元劃分,運用OptiStruct對固定側板進行結構優化。
圖2 計算機系統(去掉上蓋)及固定側板模型
2.2 固定側板模態分析
在對固定側板進行優化分析之前,先對其進行模態分析,評估其強度和剛度。分析時為簡化模型將此側板與其他部件(硬盤、電源等)連接的固定孔進行約束。此零件的1-4階模態分析結果如圖3。其中一階模態為90.34Hz,振型如圖4。
圖3 固定側板1-4階模態
圖4 固定側板一階模態的振型
2.3 固定側板優化分析
最初設計的固定側板裝在系統中后,開機后在硬盤讀取數據時發現有異音出現,經分析是系統與硬盤的共振產生的異音。為了解決此問題對固定側板進行優化。在此使用了OptiStruct的形貌優化功能。
使用OptiStruct 進行優化分析時,合理設定優化參數可以提高優化效果,并使得優化的結果更具有實用性。對固定側板進行優化分析,先確定優化目標及優化約束條件,然后在可以產生加強筋的區域定義加強筋的參數。在此分析中確定的優化目標為一階模態最大。根據工藝要求和系統中的空間尺寸,定義加強筋的參數為:起筋的最小寬度10mm,起筋角度60°,起筋高度1.5mm。同時確定筋位的布局方向。可以優化的區域如圖5所示。由于網格變形后起筋和未起筋之間的網格變形較大,對一些零件折彎或網格節點法向角度變化較大的區域,為了避免在該區域的網格由于自動變形而產生質量過差的網格導致計算不收斂現象,將這些區域也設置成非優化設計的區域。
在確定上述條件后提交進行優化計算,經過軟件的迭代計算后得到軟件的優化分析結果如圖6。
圖5 優化設計區域
圖6 固定側板形貌優化分析結果
2.4 優化后方案設計及分析
由于固定側板是外觀件,在筋位設計時需要兼顧外觀設計。根據圖6 的分析結果,若完全按照優化結果設計筋位對外觀影響很大,因此把優化結果中的兩條筋合成為未一個筋,先進行分析,起筋的位置參考優化結果,如圖7所示。對此結構進行模態分析,分析結果圖圖8。一階模態提高到108Hz,振型如圖8所示。
圖7 固定側板優化設計方案 
圖8 優化后側板的模態分析結果
3 整機系統模態分析
此系統中主要使用的硬盤為7200rpm,因此主要考查120Hz附近的固有頻率分布看是否會與硬盤共振。分別將原始設計的固定側板和優化設計后的固定側板裝配到系統中,對整機系統進行模態分析,圖9為兩個系統的固有頻率分析結果。考察分析結果中120Hz附近的固有頻率(如圖中紅框所示)分布發現,優化了固定側板后的系統避開了硬盤的共振頻段,相對遠離了120Hz。降低了系統共振發生的風險。但由于系統空間有限,起筋的筋位較低,因此系統固有頻率變化比較小。但硬盤的轉速精確度很高,共振頻段很窄,因此優化后的結構已經大大降低了共振的可能。
圖9 優化設計前后固有頻率分布對比
4 結論
在計算機產品設計中引入優化分析的方法能夠提高產品品質,縮短設計周期,在產品設計中具有重要意義。
運用OptiStruct對計算機系統固定側板的剛度進行優化,優化后的結果實用可行。通過對整個系統的模態分析發現優化后的結果對系統的模態有影響,能夠避免系統共振。
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