随着服务器性能的不断提升，系统功耗不断增加会产生更多的热量。为解决服务器散热问题，提高系统内部风扇的转速是比较经济的选择。但是风扇转速越高，产生的噪声及振动越大，噪声和振动会通过机箱传递给机械硬盘，导致硬盘碟片旋转到对应扇区时，磁头振动量大，极易偏离正确的磁道，大大增加数据读取和写入时间，出现硬盘数据读写速率降低的问题。
本文应用Abaqus稳态动力学分析方法，对某款服务器两种不同硬盘托盘结构进行振动传递函数分析，对比两种方案的优劣。同时结合模态贡献量、工作变形分析手段找出硬盘测点振动加速度出现峰值的原因，并对机箱的传递路径进行研究，合理优化机箱结构，为因振动导致的硬盘数据读写速率降低问题提供一个新的优化途径。
有限元分析模型建立
机箱钣金主要采用四边形 S4 和少量三角形 S3 壳单元划分网格，壳网格平均尺寸 5mm。主板、硬盘背板、内存条及连接器等划分为六面体单元 C3D8I 网格。电源、PCIE卡、OCP 卡、机械硬盘、Heatsink 散热器等元器件简化为与实际结构形状及体积相近的质量体。风扇、CPU散热器采用集中质量模拟，分别使用 COUPKIN 与 DCOUP3D 单元连接。铆接及螺栓采用刚性单元 COUPKIN 连接，两种硬盘托盘结构网格详细划分。机箱及两种硬盘托盘结构有限元模型如图 1 和图 2 所示。
图 1. 机箱有限元模型图.
图 2. 两种硬盘托盘结构有限元模型图
在图 2 中左侧硬盘托盘结构为方案一，右侧硬盘托盘结构为方案二。通过对比可以看出
方案一在上下方向布置有红色减振弹片，左右方向也有凸起中空结构设计，在振动过程中
会有减振的作用。方案二仅在上下方向布置红色减振弹片。
采用基于模态的稳态动力学分析方法，对机箱进行振动传递函数分析。振动传递函数分析 VTF(Vibration Transfer Function)主要是指输入激励载荷与输出振动之间的对应函数关系，用于评价机箱结构对振动的灵敏度特性。VTF 分析主要通过在风扇安装点施加单位力激励，计算得到机械硬盘测点的振动加速度响应。约束垫木底部所有自由度，在风扇安装点分别施加 x 向、y向、z 向 1 N 的载荷，频率范围 5~2000 Hz，模态阻尼 4%，结构模态截止频率 2500 Hz。
计算输出机械硬盘测点的振动加速度频响曲线。如图 3 所示，方案一硬盘测点编号从左到右依次为 1102~1107，方案二相同位置的硬盘测点编号从左到右依次为 1202~1207。
图 3. 硬盘测点说明.
振动传递函数分析
振动传递函数分析结果
机箱振动传递函数分析统计结果见表 1，为了更直观的评估结果，将表 1 整理为折线图的形式，如图 4~图 6 所示。机箱的左右方向定义为 x 向，上下方向定义为 y 向，前后方向定义为 z 向。
表 1. 机箱振动传递函数分析结果.
图 4. x 向载荷时硬盘测点三个分量峰值加速度对比.
图 5. y 向载荷时硬盘测点三个分量峰值加速度对比.
图 6. z 向载荷时硬盘测点三个分量峰值加速度对比.
通过对图 4~图 6 折线图的对比可以看出 x 向载荷时方案一的硬盘测点振动加速度只有z 向分量高于方案二，y 向载荷时两个方案的硬盘测点振动加速度基本相当，z 向载荷时方案一的硬盘测点振动加速度均低于方案二。综合判定方案一的硬盘托盘方案优于方案二。
通过以上分析可知，在 x 向载荷时，方案一硬盘测点 1107 在 z 向分量出现加速度峰值 2437mm/s2。图 7 为方案一硬盘测点编号 1102~1107 的 x 向载荷 z 向分量的振动加速度频响曲线。硬盘测点 1107 在 446 Hz 出现峰值加速度 2437mm/s2。
图 7. 方案一硬盘测点 x 向载荷 z 向分量的振动加速度频响曲线
模态贡献量及工作变形分析
对测点 1107 在 446 Hz 的峰值加速度 2437 mm/s2进行模态贡献量分析，得到对 446Hz 处峰值贡献量最大的模态和振型。如图 8 所示，横坐标表示柱状矩形对应的模态值，纵坐标表示此模态对峰值加速度贡献的加速度水平。从图 8 中可以看出 444.25Hz 模态对峰值的贡献量最大。
图 8. 硬盘测点 1107 在 446Hz 的模态贡献量.
图 9 为 444.25 Hz 硬盘模组模态的振型云图，硬盘模组在高阶模态呈现出复杂的局部扭动振型，硬盘背板中部出现开口变形，初步判断是导致测点 1107 出现较大的 z 向加速度（前后方向）的原因之一。
图 9. 硬盘模组 444.25Hz 模态振型云图.
工作变形分析，定义为结构在某特定频率下的工作变形，即输出关注频率的频响云图。在上述基础上进行机箱工作变形分析，图 10 为在 446 Hz 频响位移云图，可以看出硬盘背板中部出现弯折变形。
图 10. 硬盘模组 446Hz 频响位移云图.
综合上述分析结果可以看出，在 x 向载荷作用下，测点 1107 出现 z 向分量加速度峰值的原因为此区域的硬盘背板变形较大。
优化方案及验证
通过模态贡献量及工作变形分析可以看出硬盘背板出现局部变形，为降低硬盘测点加速度峰值，需要增加硬盘背板区域的刚度。硬盘通过连接器连接在硬盘背板上，如果硬盘背板刚度偏软，在振动过程中容易出现 z 向（前后方向）晃动。优化方案如图 11 所示，在硬盘背板中部增加一个固定点。
图 11. 硬盘背板优化方案.
对优化方案进行振动传递函数分析，输出优化后的方案一 x 向载荷 z 向分量频响曲线。测点 1107 振动加速度由 2437 mm/s2降低为 2380 mm/s2。优化方案加速度频响曲线如图 12 所示。
图 12. 优化后方案一硬盘测点 x 向载荷 z 向分量的振动加速度频响曲线
从以上结果可以看出应用 Abaqus 软件，通过模态贡献量、工作变形分析手段可以找出硬盘测点振动加速度出现峰值的原因，从而可以合理的优化机箱结构。
振动传递函数分析设置优化
应用 Abaqus 软件进行模态贡献量分析需要在一个 INP 文件中定义两个分析步，即模态分析步与稳态动力学分析步，然后应用插件提取并绘制模态贡献量图。以方案一的计算结果为例，由于模态分析的截止频率为 2500Hz,需要提取大量模态，而模态分析步必须输出场位移的结果，否则无法计算，即使稳态动力学分析步只定义输出测点振动加速度的历史变量，分析的结果文件大小也要达到 14.5GB。经过不断尝试发现，模态分析步不必输出全场位移，只输出硬盘测点位移的场变量同样可以进行稳态动力学分析和模态贡献量分析，由于不必输出大量模态分析的全场位移，此时分析的结果的文件大小仅为 150MB。
模态分析步如果采用默认的 Lanczos 方法，以方案一的计算模型为例，节点数：360199，网格数：412251，完成一个分析的时间为 4951s。对于大规模模型需要提取大量模态时，采用 AMS 方法进行模态提取并完成一个分析的时间仅为 548s,极大的缩短了计算时间，汇总如表 2 所示。
表 2. 分析设置优化.
限于篇幅，只对比方案一硬盘测点 1107 在 x 向载荷 z 向分量的频响曲线，来说明分析设置对计算结果的影响。如图 13 所示，模态提取方法设置为 AMS，模态分析只输出硬盘测点位移的频响曲线（绿色曲线）与模态提取方法设置为 Lanczos，模态分析输出全场位移的频响曲线（红色曲线）基本重合，最大的区别为硬盘测点 1107 的峰值加速度由2437 mm/s2升高为 2440 mm/s2。通过对比可以看出分析设置调整后对频响结果不但不会产生很大的影响，而且可以对大规模模型振动问题进行快速仿真及优化，符合工程仿真的要求。
图 13. 分析设置优化前后方案一硬盘测点 1107 在 x 向载荷 z 向分量的振动加速度频响曲线对比.
资料来源：达索官方
