基于ABAQUS的服務器跌落仿真與實驗研究

張海龍

（浪潮電子信息產業股份有限公司 高效能服務器與存儲技術國家重點實驗室，濟南 250101）

0 引言

服務器產品在出廠前需要經過試驗驗證，滿足某方面的標準才能出貨。其中包裝運輸跌落通過實驗驗證是服務器產品出廠前最基本的測試要求。

傳統的流程是樣機—試驗—結構改進—樣機—試驗。往往為了通過試驗，需要如此反復數次。不僅導致開發費用上升，甚至嚴重延誤開發周期，給企業造成重大損失。為了縮短開發周期，提前預判設計缺陷，很多大型企事業單位及研究機構都將仿真分析納入了正向流程。但仿真的大量引入也會帶來一個問題。錯誤的定性仿真結果與精度較差定量的仿真結果往往導致設計人員做出錯誤的決策，因此仿真分析的精度提升顯得越發重要。采用顯式算法的動力學仿真計算，影響仿真精度的主要因素有網格尺寸、單元類型、有限元連接方式、材料模型等。

本文將使用成熟的模型簡化處理方法，選取合適的緩沖包裝的材料本構模型，通過對某服務器進行包裝跌落仿真分析與實驗對標驗證方法的可靠性。

1 服務器有限元前處理

1.1 前處理

本次分析產品為單節點服務器，它主要由機箱底板、機箱蓋、主板、硬盤、散熱器、電源、風扇、前窗、后窗等組成。對于等壁厚鈑金結構劃分為減縮積分殼單元S4R，對于散熱器、電源等結構，三向尺寸相當，劃分為減縮積分六面體單元C3D8R。

關于單元尺寸的選取需要非常慎重。動力學顯式算法中時間步長近似公式為

式中：L為單元特征長度；c為材料中的聲速。

顯式算法是條件穩定的，計算步長需要小于Δt才能保證解的收斂性。為了保證計算速度，單元不宜太??；但有限元的離散性又要求網格不能太大才能保證精度。因此需要在計算速度與精度之間做一個權衡。

根據以往經驗，本次分析，服務器總成網格尺寸為殼單元4～6 mm，實體單元6～10 mm。整個模型共劃分網格36萬。

1.2 網格質量檢查

在動力學計算中，由于沖擊速度大、時間短，單元變形較大。網格質量對計算結果影響較大，前處理完成后，對網格進行質量檢查非常必要。單元常用檢查項列于表1。

表1 單元檢查項及推薦值

需要說明的是，三角形是常應變單元（如圖2），精度低、剛度大。為了保證計算精度，整體模型中三角形單元占比不能大于3%。重要的連接部位不要出現三角形單元，避免進入塑性后連接部位失去支撐能力而形成塑性鉸。

圖1 帶包裝模型有限元模型圖

圖2 避免出現三角形單元的部位

1.3 有限元連接

影響仿真結果的重要因素主要有：模型簡化方式、網格尺寸與質量、材料模型、有限元連接方式。因此在其他幾個因素得到控制后重點關注有限元連接方式。實際服務器結構中常用的連接方式有鉚釘、螺釘、焊接、滑動副等。對于螺釘采用rbe2+beam+rbe2的方式建模，焊接采用共節點方式進行部件之間連接。地面部分采用剛性墻模擬。常用螺栓連接示意圖如圖3所示。

圖3 常用螺栓連接示意圖

1.4 材料本構關系模型選擇

機箱蓋、機箱底板、風扇支架、電源把手等鈑金件采用彈塑性材料，硬化模型選擇等向硬化，屈服準則選擇米塞斯。電源、散熱器等實體部件采用線彈性材料模型。主要金屬及塑料材料參數列于表2。

表2 主要金屬及塑料材料參數表[1]

在跌落沖擊仿真中，泡沫材料模型選擇是否恰當對沖擊仿真的結果影響至關重要。ABAQUS軟件提供了Hyperelastic、Hyperfoam、Lowdensityfoam等幾種材料模型可供選擇。為了選擇合適的模型，本章節設計了一個簡化壓縮實驗，如圖4所示。

圖4 簡單實驗示意圖

此實驗過程中采用2種不同本構關系，分別進行仿真分析。泡棉壓縮量仿真值與實測值匯總于表3。從表3可以看出，采用低密度泡沫模型，仿真所得變形與實驗值比較吻合，材料模型選擇合適。

表3 本構模型選擇實驗仿真與實測對比

2 仿真計算

為便于與實驗進行比較，本文僅進行單面跌落仿真，仍具有普適性——即當此面跌落仿真與實驗對比精度達標時，其他面亦能達到相應的精度。實驗時，產品自高處自由落體，撞擊剛性地面。仿真結果如圖5、圖6所示。

圖5 裸機應力云圖

圖6 能量曲線

從圖5、圖6可以看出，沙漏能占總能量的5.6%，小于規定的10%；內能曲線與動能曲線基本對稱，總能量/初始動能的比值在0.995～1.050之間波動。因此本次仿真計算模型可靠。

3 跌落仿真與實驗對標

3.1 仿真加速度提取

由于ABAQUS/Explicit求解器采用中心差分法求解動力學方程，該方法不具有算法阻尼，無法消掉虛假的高頻響應[2]。節點的加速度時域信號往往淹沒在噪聲中。本文首先提取相應節點的位移信號經過二次求導得出加速度響應曲線[3]。

3.2 跌落實驗

以與仿真同等的條件進行服務器帶包裝跌落，將服務器放置到跌落機上，升到相應高度釋放，進行自由落體。跌落前在箱耳位置布置加速度傳感器。實驗現場如圖7所示。

圖8為面跌落時箱耳處加速度時程曲線。

圖7 實驗現場圖

圖8 箱耳位置加速度實測曲線

3.3 對標與分析

仿真完成后提取箱耳處加速度響應時程曲線與實測曲線進行比較，如圖9所示。

從圖9中可以看出，仿真曲線與實測曲線走勢基本一致，最大值誤差不到10%。因此，所選包裝材料本構模型與模型處理方法是合理的，精度可以接受。

圖9 箱耳處加速度曲線仿真與實測比較

4 結語

本文通過對某型號帶包裝服務器進行跌落仿真，總結了包含材料本構模型在內的動態仿真分析的相關經驗和方式方法。并通過實驗驗證了該經驗與方法的有效性。

實驗表明，采用本文的方法進行服務器包裝跌落仿真，其精度達標，加速度對標精度可達90%，可以為后續的優化設計提供理論指導。同時仿真分析可節省實驗時間、節約樣機數，對縮短研發周期、降低開發成本有著重要的實用價值。