Abaqus在一体机设计初期的应用实例

很多商家推出了一体机，一体机比传统的台式机确实占用空间小了很多。

一体机电脑的优点有四点：

1.简约无线

只需要一根电源线就可以完成所有连接电脑自动关机。

2.节省空间

比传统分体台式机更纤细，节省最多70%的桌面空间。

3.超值整合

同价位拥有更多功能部件，集摄像头、无线网线、音箱、蓝牙、耳麦等于一身。

4.节能环保

一体台式机更节能环保，耗电仅为传统分体台式机的1/3，带来更小电磁辐射。  

一体机并非简单的将主机与显示器整合在一起，其结构复杂，较为成熟的显示器相比，结构复杂，重量也相应增加，同时，一体机基本沿用传统台式机的测试要求，因此，在前期设计中，仿真工作更有发展的必要。

本文利用 Abaqus/Explicit 对一体机的冲击过程进行模拟，并提取其位移及应变信息，预测其可能发生的结构风险，并与实验结果进行对比，验证了结果的正确性。

1.概述
     

ABAQUS/Explicit  是求解复杂非线性动力学问题和准静态问题的理想程序，特别是用于模拟冲击和其它高度不连续事件，如考虑塑性，接触，材料失效等效应的问题。该方法可以在时域上精确地捕捉结构的响应历程。

冲击作为试验的一个重要试验项目，其属于实物试验，多在产品开发后期进行。要评估一体机受到冲击载荷时的响应，需要结合实验测试和分析模拟。与物理实验相比，仿真模拟有着明显的优势：提供重复结果和模型上任意点的信息（应力、应变、加速度等等），成本低，在设计过程中，任意阶段都可以进行模拟。可在模型设计初始、实物样机制造出来之前进行冲击响应分析，能够有效地发现设计缺陷。

在一体机冲击实验中，对机箱的六个面做冲击测试，需要满足无功能及外观损坏的标准。本文主要关注冲击过程中主要结构件的受力及损伤情况。

2.有限元模型

一体机有限元模型利用原有三维设计图档，采用 Hyper mesh 抽取划分网格，在塑胶面板的重要结构处对网格进行局部加密，电源、光驱、硬盘等虽然很重要但只需考虑质量效应的部件定义为刚体（Rigid body）。利用Abaqus/Explicit 对整机做冲击分析，比较关心的是塑胶面板的配合以及硬盘，电源等关键部件带来的影响。

一体机整机有限元模型

3.Abaqus/Explicit 分析设定
     

文中钣金件采用金属材料，主板采用 PCB 材料，电源、硬盘等只需考虑质量，所以将其定义为刚体，并给予一定的密度，同时充分利用 ABAQUS 自动计算并调整参考点至质心的功能建立参考点来定义。

一体机整机结构比较复杂，在冲击过程中又存在大量的接触，因此接触定义中，均采用General Contact(Explicit)分析步，从而大大简化了模型的接触定义。

4.Abaqus/Explicit 模拟结果
     

作为一个复杂的装配件，出现问题一般为关键部件的大变形，如屏幕等；结构件的塑性应变以及各个部件在冲击过程中的碰撞情况。

随着屏幕的尺寸以及长宽比的扩大，屏幕在冲击过程中的受力情况越来越恶劣。如图虽然屏幕中部应力集中不是很明显，但根据动画模拟，其中部变形仍然很大，考虑到仿真模型没有考虑到全部部件，对于内部结构复杂的一体机而言，屏幕和其他部件有碰撞的可能，这在后续的测试结果中也有体现，

左图：应屏幕所受应力

右图：一体屏幕变形示意图

塑胶外壳冲击中固定螺柱附近应力集中明显，受力状况如图，因为内部所有部件的重量几乎全部有类似的六颗螺钉固定，因此在冲击过程中受力明显，在支柱附近如下图

一体机塑胶边框应力应变变示意图

根据仿真结果，我们建议在在屏幕后增加支撑，在塑胶外壳应力集中处加大圆角，并增加肋板的料厚等措施，可以大大减小屏幕以及肋板的受破坏的情况。

5.与实验结果对比

从以上仿真分析结果来看，一体机的主要问题存在于屏幕以及塑胶边框，测试结果也显示，样机显示异常，出现大片黑斑，经判断为屏幕碎裂，另外在前板塑胶螺柱支撑肋板附近有发白的现象。如下图所示。

左图：一体机冲击试验示意图图

右图：冲击测试后屏幕损坏示意图

综合分析过程中所做的简化及材料等的差异，Abaqus 分析与实验结果基本吻合。验证了有限元分析的准确性，因此该方法对此类装配问题的预测有一定的作用。

经过建议改进，样机顺利通过测试。

6.结论

一体机结构紧凑，且共用大部分台式机标准件，因此不仅要重视各部件的应力应变，同时也要考虑部件间的干涉及碰撞可能性。

在一体机的设计阶段采用 CAE 技术对一体机在运输及使用过程中发生的冲击情况进行仿真，可以使设计人员方便的观测到设计对产品性能的影响。在设计阶段就可以预知设计缺陷，并进行改进，加快了研发进度。

通过对一体机做仿真分析和实际实验的对比，我们得到了冲击过程中的细节信息，验证了 Abaqus/Explicit 对一体机进行冲击分析的可行性。也为我们验证结构设计可行性提供了一定的依据。

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