台式电脑的冲击分析（一）

Yokiy

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发表时间：2012/6/14

来源：万方数据

1 概述

电脑整机的环境实验多在产品开发的后期进行，是基于实物的实验验证。冲击实验更是作为一项重要的环境实验，用以考察整机的强度可靠性和设计上的缺陷。对于在实验阶段产品样机所暴露出的问题，开发者往往只能反复修改设计并验证，直至满足设计要求为止，为此也大幅度的延长了开发周期和开发成本。随着国内外CAE技术的发展和成熟，基于有限元离散的结构力学求解使得开发者能够在产品的早期便进行模拟仿真验证，并及时指导于设计，增加产品通过实验验证的可靠性

2 台式电脑结构与冲击测试要求

对于一个台式电脑整机，其结构是非常复杂的。其内部包含有较多的部件，如硬盘、主板、光驱、电源、散热系统等。在联接固定的方式上既有螺钉联接，又有铆接、卡扣和限位等不同的联接方式。复杂的结构设计以及内部部件之间的相互牵连，使得依照传统的经验来估计系统在冲击下的表现是非常困难的。本文旨在通过瞬态动力学CAE解决方案来进行仿真模拟，并通过实验与仿真分析结果进行对比分析和研究。

为保证仿真结果与实验的高度吻合性，实验测试的条件应真实的加载到模型上，同时模型的建立也应该准确和客观。冲击实验测试在冲击台上进行，冲击台对于电脑整机的输入为11ms、50G的T型波冲击加速度。

其加速度冲击加载曲线如图1所示。

图1 T型冲击波曲线

3 电脑整机的建模

考虑到系统的复杂性和所关心的关键部位，模型的建立应力求详细准确，并在此基础上进行一些必要的简化。针对结构进行一定的模型简化处理是必须的，同时简化也要遵循不影响分析精度这一基本原则。电脑是一个复杂的系统，而这一系统又包含若干个子系统。我们不可能也没有必要对于这些子系统进行详细的建模，如硬盘的内部结构、电路板上的较小的元器件等。在保证分析精度的前提下依靠经验进行合理的建模是仿真分析中的重要环节所在。

冲击实验主要针对机箱的设计进行的强度验证，因此建模的重点就着重于电脑机箱外壳、内部部件与机箱的联接部件上（如光驱架、硬盘架、散热模组的支撑部件等）以及各部件的联接关系上。

建立好的模型单元总数为116740。机箱壳体为薄壁件，因此采用四边形单元，电路板、显卡、电源、光驱、硬盘以及一些注塑件则采用体单元。散热器采用集中质量点。在约束定义上螺钉和铆接定义为刚性联接，同时定义内部部件彼此之间的卡接与限位等接触条件。

建立好的有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型

4 仿真结果与实验对比 4.1仿真结果 模型对六个方向的冲击均进行了模拟，冲击时间为11ms，加速度幅值为50G。图3为某方向冲击下的等效应力云图。

图3 整机的等效应力云图 通过仿真模拟发现，在六个方向的冲击中，有两个方向有失效发生，分别是前面板方向的冲击和正卧方向下的冲击。在前面板方向的冲击中，光驱与壳体侧壁的卡位存在较大的冲击力，并导致限位处失效。产生这一失效的原因在于：光驱在系统中采用无螺钉联接的方式，而限位处的强度不足以承受在冲击中由光驱所产生的冲击力，因此该处结构需要改进。 图4为机箱壳体以及光驱架在前面板方向冲击中的等效应力云图，图示圈选处为失效的区域，位于光驱与机箱壳体之间的限位处。

图4 前面板方向冲击下机箱壳体的等效应力云图