搜索計(jì)算機(jī)系統(tǒng)防振的優(yōu)化設(shè)計(jì)
2013-06-06 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
本文運(yùn)用HyperMesh對一款計(jì)算機(jī)整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行單元劃分,運(yùn)用OptiStruct 對其固定側(cè)板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,以提高其剛度,進(jìn)而提高整機(jī)的剛度。同時優(yōu)化后使得系統(tǒng)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(tǒng)的共振。在保護(hù)硬盤的同時有效降低系統(tǒng)的噪聲。
馬映峰 辛志峰 員德強(qiáng) 來源:Altair
關(guān)鍵字:CAE HyperMesh OptiStruct 結(jié)構(gòu)優(yōu)化
1 概述
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為人們工作中不可缺少的工具。作為計(jì)算機(jī)主要的存儲設(shè)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(jì)算機(jī)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中如何有效避免硬盤運(yùn)行時與系統(tǒng)發(fā)生共振則成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。有效避免硬盤與系統(tǒng)的共振能夠在保護(hù)硬盤的同時降低系統(tǒng)的噪聲。
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的機(jī)箱主要是薄壁鈑金結(jié)構(gòu),兩個大側(cè)板由于其面積大是最容易產(chǎn)生振動的零件,同時也是對整個系統(tǒng)固有頻率影響最大的零件。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中如何優(yōu)化兩個大側(cè)板的結(jié)構(gòu),增加其剛度,使整個系統(tǒng)的固有頻率避開硬盤的工作頻段即成為解決系統(tǒng)共振問題的主要突破點(diǎn)。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程中,直到樣機(jī)測試時才知道是否會有共振出現(xiàn),若發(fā)現(xiàn)有共振現(xiàn)象也只能采用加橡膠墊等補(bǔ)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(shí)驗(yàn)加長了設(shè)計(jì)周期。若在產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期就使用OptiStruct 對幾個主要零件進(jìn)行形貌優(yōu)化,然后再對整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析,使之避開硬盤的工作頻段,避免共振的發(fā)生則能夠降低成本,縮短設(shè)計(jì)周期,提高產(chǎn)品品質(zhì),在產(chǎn)品開發(fā)中將具有重要意義。圖一為結(jié)合優(yōu)化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程:
圖1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程
2 固定側(cè)板的優(yōu)化分析
2.1優(yōu)化模型的建立
圖2為一款計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及其固定側(cè)板。此系統(tǒng)在測試時發(fā)現(xiàn),開機(jī)硬盤讀取數(shù)據(jù)時有異音產(chǎn)生,經(jīng)分析是系統(tǒng)與硬盤共振所致。本文運(yùn)用HyperMesh對整個系統(tǒng)進(jìn)行單元劃分,運(yùn)用OptiStruct對固定側(cè)板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
圖2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(去掉上蓋)及固定側(cè)板模型
2.2 固定側(cè)板模態(tài)分析
在對固定側(cè)板進(jìn)行優(yōu)化分析之前,先對其進(jìn)行模態(tài)分析,評估其強(qiáng)度和剛度。分析時為簡化模型將此側(cè)板與其他部件(硬盤、電源等)連接的固定孔進(jìn)行約束。此零件的1-4階模態(tài)分析結(jié)果如圖3。其中一階模態(tài)為90.34Hz,振型如圖4。
圖3 固定側(cè)板1-4階模態(tài)
圖4 固定側(cè)板一階模態(tài)的振型
2.3 固定側(cè)板優(yōu)化分析
最初設(shè)計(jì)的固定側(cè)板裝在系統(tǒng)中后,開機(jī)后在硬盤讀取數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)有異音出現(xiàn),經(jīng)分析是系統(tǒng)與硬盤的共振產(chǎn)生的異音。為了解決此問題對固定側(cè)板進(jìn)行優(yōu)化。在此使用了OptiStruct的形貌優(yōu)化功能。
使用OptiStruct 進(jìn)行優(yōu)化分析時,合理設(shè)定優(yōu)化參數(shù)可以提高優(yōu)化效果,并使得優(yōu)化的結(jié)果更具有實(shí)用性。對固定側(cè)板進(jìn)行優(yōu)化分析,先確定優(yōu)化目標(biāo)及優(yōu)化約束條件,然后在可以產(chǎn)生加強(qiáng)筋的區(qū)域定義加強(qiáng)筋的參數(shù)。在此分析中確定的優(yōu)化目標(biāo)為一階模態(tài)最大。根據(jù)工藝要求和系統(tǒng)中的空間尺寸,定義加強(qiáng)筋的參數(shù)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?？梢詢?yōu)化的區(qū)域如圖5所示。由于網(wǎng)格變形后起筋和未起筋之間的網(wǎng)格變形較大,對一些零件折彎或網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)法向角度變化較大的區(qū)域,為了避免在該區(qū)域的網(wǎng)格由于自動變形而產(chǎn)生質(zhì)量過差的網(wǎng)格導(dǎo)致計(jì)算不收斂現(xiàn)象,將這些區(qū)域也設(shè)置成非優(yōu)化設(shè)計(jì)的區(qū)域。
在確定上述條件后提交進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,經(jīng)過軟件的迭代計(jì)算后得到軟件的優(yōu)化分析結(jié)果如圖6。
圖5 優(yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)域
圖6 固定側(cè)板形貌優(yōu)化分析結(jié)果
2.4 優(yōu)化后方案設(shè)計(jì)及分析
由于固定側(cè)板是外觀件,在筋位設(shè)計(jì)時需要兼顧外觀設(shè)計(jì)。根據(jù)圖6 的分析結(jié)果,若完全按照優(yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)筋位對外觀影響很大,因此把優(yōu)化結(jié)果中的兩條筋合成為未一個筋,先進(jìn)行分析,起筋的位置參考優(yōu)化結(jié)果,如圖7所示。對此結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析,分析結(jié)果圖圖8。一階模態(tài)提高到108Hz,振型如圖8所示。
圖7 固定側(cè)板優(yōu)化設(shè)計(jì)方案 
圖8 優(yōu)化后側(cè)板的模態(tài)分析結(jié)果
3 整機(jī)系統(tǒng)模態(tài)分析
此系統(tǒng)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(shè)計(jì)的固定側(cè)板和優(yōu)化設(shè)計(jì)后的固定側(cè)板裝配到系統(tǒng)中,對整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析,圖9為兩個系統(tǒng)的固有頻率分析結(jié)果?？疾旆治鼋Y(jié)果中120Hz附近的固有頻率(如圖中紅框所示)分布發(fā)現(xiàn),優(yōu)化了固定側(cè)板后的系統(tǒng)避開了硬盤的共振頻段,相對遠(yuǎn)離了120Hz。降低了系統(tǒng)共振發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。但由于系統(tǒng)空間有限,起筋的筋位較低,因此系統(tǒng)固有頻率變化比較小。但硬盤的轉(zhuǎn)速精確度很高,共振頻段很窄,因此優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)已經(jīng)大大降低了共振的可能。
圖9 優(yōu)化設(shè)計(jì)前后固有頻率分布對比
4 結(jié)論
在計(jì)算機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中引入優(yōu)化分析的方法能夠提高產(chǎn)品品質(zhì),縮短設(shè)計(jì)周期,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中具有重要意義。
運(yùn)用OptiStruct對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)固定側(cè)板的剛度進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化后的結(jié)果實(shí)用可行。通過對整個系統(tǒng)的模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的結(jié)果對系統(tǒng)的模態(tài)有影響,能夠避免系統(tǒng)共振。
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