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 HyperMesh在台式电脑机箱结构仿真分析中的应用
发布者:张旗利 江国栋 王宝昆 出处: 日期:2010/6/30 阅读:2455 推荐:0 点评:0
   

1 概述

随着计算机工业的快速发展,全球已进入电脑普及时代。电脑行业的竞争也日益白热化,这就迫使企业要不断地降低成本,提高产品质量和可靠性,缩短产品的开发周期。而传统的“设计→试制→试验→修改→再试制→再试验”的产品开发方法显然已难以满足企业的需求,通过CAE手段,在设计阶段模拟产品在冲击振动等条件下的力学行为,对机箱产品进行结构风险评估,及早发现可能出现的质量问题并制定改善方案,从而达到缩短产品开发周期,降低成本的目的。

由于机箱产品的结构复杂,零件多,在进行仿真模型建立的时候,网格划分往往占据相当大的时间。HyperMesh 是美国Altair公司的 HyperWorks 系列工程软件中的软件产品之一,被业内公认是世界上最领先、最优秀的前后处理器。采用 HyperMesh 强大的几何处理和网格生成技术,可以有效提高机箱产品网格划分的效率和质量,从而为后续分析打下良好的基础。

2 有限元网格的生成

网格划分是有限元分析的基础,网格质量的好坏直接关系着有限元计算的效率和准确性。生成网格时,在可能的条件下,尽量使用四边形或六面体单元;对于复杂的几何形体,可使用三角形或四面体单元。划分网格时需要处理好网格大小、数量、质量之间的关系,以获得几何形体表达、计算效率和准确度的最佳平衡。

台式电脑机箱既包括机箱外壳、支架等钣金件,而且包括前面板等塑胶件还有主板、硬盘、光驱和电源等部件,针对零部件类型及复杂程度,机箱的网格划分又涉及到shell、tetra和hex等不同的单元类型,利用HyperMesh强大的几何处理和网格划分功能,整个机箱的网格划分均可高效实现。

2.1 HyperMesh有限元网格生成算法

HyperMesh中多数网格划分情况下会采用自由网络网格算法。如果单元类型选择的是quads或trias,使用的是高级波前算法,如果选择mixed为单元类型,使用的是子映射算法。

高级波长算法的主要过程为:穿过区域的边长,经过的时候沿着边长放置单元;检查单元的组,看是否在连贯性上的局部变化会提高单元质量;重复地施加选择的光滑算法,直到没有节点移动超过指定的光滑公差。

2.2 机箱钣金件的网格划分

机箱钣金件由于会有很多折弯、沙拉、抽芽、打凸和拍平等工艺特征,增加了抽取中面的难度和工作量。采用传统方法做出中面然后划分网格,时间会花费很多,而使用HyperMesh的中面功能,直接由几何抽取高质量中面,只需辅以offset、trim等功能进行局部细节修改,即可在此基础上生成网格。

通过设置单元大小,调节节点数目,检查单元warpage、aspect、max angle、min angle、length等指标来控制shell单元的数量和质量,同时利用smooth、cleanup、equivalence、quality index等网格自动优化功能,提高网格调节的效率和网格质量。图1即为某款机箱钣金件的网格模型。

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图1 机箱钣金件shell网格模型

2.3 机箱前面板等塑胶件的网格划分

对于机箱前面板等厚度不均、形状复杂的塑胶件,通常采用四面体来划分网格。进行必要的几何清理后,先在零件表面画上质量优良的三角形单元,形成封闭的2D面网格,然后采用tetramesh来生成四面体,并调整单元质量直至满足要求。图2为该机箱前面板网格模型。

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图2 机箱前面板四面体网格模型

2.4 主板、硬盘等部件实体网格划分

机箱中主板、硬盘、光驱和电源等部件,采用实体单元来划分网格,基本思路是在二维网格的基础上,通过“挤压”、“扫略”等方式生成三维实体单元。分析几何形体并做必要的几何清理,制定出合适网格生成策略,并对几何形体进行分割,然后分区域采用合适的网格生成次序和方法生成六面体网格。图3和图4分别为主板和硬盘的六面体网格模型。

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图3 主板六面体网格模型

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图4 硬盘六面体网格模型

3 有限元模型建立及求解

将在HyperMesh中划分好的机箱网格模型按零件分别导入ABAQUS中,进行装配,然后进行前处理的相关设置,包括定义材料、分析步、接触和边界条件等,设置完成后,即可提交任务到ABAQUS求解器中进行求解计算。通过模拟机箱在冲击试验台上的力学行为,能有效预测到设计可能出现的风险,从而为设计提供参考。图5为该机箱冲击仿真分析应力云图。

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图5 机箱冲击仿真分析结果应力云图

4 试验结果对比

通过HyperMesh划分网格并提交Abaqus进行分析计算后,还可通过与试验结果进行对比,以验证仿真结果的准确性。图6为该机箱在冲击台上的冲击试验图。

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图6 机箱冲击试验图

5 结论

通过HyperMesh的强大功能,可以很快捷的进行机箱各部件的网格划分,提高了工作效率,并通过它的接口生成输入文件导入到Abaqus中进行冲击仿真分析计算,为设计提供参考,显示了其强大的前处理功能。

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