随着计算机工业的快速发展，全球已进入电脑普及时代。PC 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。
ABAQUS 作为世界领先的有限元工程模拟软件，从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题，ABAQUS都能够很好的予以解决。对于台式电脑机箱所涉及的典型结构问题，利用 ABAQUS 也都能有效求解。下面将分别介绍 ABAQUS 在机箱机构仿真分析中的几个典型应用。
机箱冲击模拟
机箱从开发到量产的整个阶段要经过多轮严格的冲击测试，以验证机箱的结构强度。若能在设计阶段就进行机箱的冲击模拟，则可以很早就发现结构设计问题并予以改进，从而减少机箱手板制作和测试次数，有效节省开发时间和降低成本。
冲击试验介绍
机箱冲击试验是利用冲击试验机，使机箱系统瞬间受到很大冲击载荷作用，以测试机箱系统结构强度的试验。根据测试需要选择不同的冲击波形，并设置不同的冲击加速度值和冲击时间。对于机箱产品，需要进行六个面方向的冲击测试，以模拟实际使用环境，测试机箱的抗冲击能力。
图 1 机箱冲击试验图
冲击模拟分析
ABAQUS/Dynamic 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他高度不连续事件，如考虑塑性、接触、材料失效等效应的问题。利用ABAQUS/Dynamic Explicit 即可模拟机箱冲击过程。
首先将机箱各部件划分好网格，并将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。将材料及其属性定义到 ABAQUS 中，并对应赋给机箱不同零部件；选择分析类型为 Dynamic/Explicit，并定义冲击时间；采用 General Contact 来定义模型接触。
按照机箱各零部件之间的相互约束关系分别在 ABAQUS 中建立约束，并根据不同的约束行为，分别建立不同约束类型的约束对。依据机箱在实际冲击试验中的冲击条件，为模型施加边界条件。完成以上设置后，即可提交任务到 ABAQUS 求解器中进行求解计算。
冲击分析案例
利用 ABAQUS 对某款机箱进行冲击模拟分析，结果显示，由于硬盘的质量冲击效应，硬盘架强度不足，塑料钉根部冲击产生很大变形。图 3 为机箱硬盘架冲击应变云图。
图 3 机箱硬盘架冲击应变云图
针对硬盘架塑料钉根部强度不足的情况，变更材料并对塑料钉进行结构改善后，塑料钉强度得到很大提升。
机箱振动模拟
对于机箱而言，最大的振动源是硬盘，而硬盘的工作频率多为 120Hz，因此机箱设计应尽可能使系统频率远离120Hz，以避免共振现象的发生。如能在机箱设计阶段就对机箱进行振动分析，则能提前预知机箱的振动情况，并及时采取适当措施改进。
机箱模态分析
模态是机械系统结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由有限元分析获得，这样一个分析过程称为模态分析。对机箱系统进行模态分析，可以获取机箱在各模态的固有频率，进而可以考察在 120Hz 附近的频率段内系统各阶的主要模态特性，以评估系统在此频率下的响应。采用 ABAQUS/Linear perturbation 的 Frequency 即可进行机箱系统的模态分析。
模态分析完后，还可进行系统频率响应分析，以考察机箱各部件在主要振源激励下的频率响应大小情况。
模态分析案例
图 4 为对某款机箱做模态分析的结果，结果显示系统在 119.03Hz 和 121.56Hz 时有频率响应，其中顶板的频率响应最大，易引发共振。采取措施提高顶板刚度后，系统频率得到提升，从而成功避开 120Hz。
在 119.03Hz 时 在 121.56Hz 时
机箱静力学分析
通过静力学分析的方法，分析机箱部件承受静载时的受力和变形情况，从而为机箱部件设计提供参考，也是ABAQUS 在机箱仿真分析中的一项重要应用。采用 ABAQUS 的 General Static 即可进行机箱的静力学分析。
图 5 是对某款机箱进行静力学分析之后的结果，结果显示 CPU 两侧受力不均，导致受力较大侧应变值过大，超过相应的 SPEC。分析原因为由于结构设计问题，导致 CPU 两侧弹簧所施加预紧力不同，进而导致 CPU 两侧受力不均，改进设计并重新分析，结果显示 CPU 两侧受力变得均匀，CPU Socket 处应变值也变得很小，问题得以解决。
图 5 某款机箱静力学分析结果
结论
以上介绍了 ABAQUS 在机箱冲击、振动和静力学分析中的应用，可以看到利用 ABAQUS 软件对机箱结构进行仿真分析，能在设计阶段对机箱结构进行风险评估，并提前采取改进措施。除以上典型分析外，还可进行机箱包材跌落等其他类型分析，从而充分体现出 CAE 分析的价值，为缩短机箱产品开发周期，降低开发成本，提高产品竞争力作出重要贡献。
资料来源：达索官方
