一种基于有限元分析的服务器防下沉变形方法及系统与流程

1.本发明涉及服务器技术领域，特别涉及一种基于有限元分析的服务器防下沉变形方法。本发明还涉及一种基于有限元分析的服务器防下沉变形系统。


背景技术：

2.服务器机箱的底部结构在服务器系统自身负荷(自重)作用下将产生下沉变形，使得服务器机箱的底板产生凹陷的不平整形变。在设计服务器系统时，应使服务器机箱具有足够的结构强度，以免产生过大的下沉变形，影响服务器组件的运行和机柜中相邻服务器的拆装维护。
3.目前，服务器在机柜中一般是沿垂向安装，多个服务器层叠分布。服务器机箱的凹陷下沉变形不仅会对主板产生变形影响，导致主板端元器件断裂或者pcb断裂故障，而且还会对服务器机柜中堆叠安装的相邻服务器产生干涉，导致相邻服务器无法在安装导轨中进行正常滑动拆装。
4.在现有技术中，为了避免机箱底板的下沉形变量过大，通常做法是在服务器机箱的设计阶段，在机箱底板的底部针对下沉变形产生的凹陷处打上多条压线板，以增加机箱底板的强度，降低其下沉量。然后再将设计好的服务器机箱实物装上服务器组件后进行实际测试，若单条压线板无法满足下沉量要求，则需要逐渐增加压线板的布置，并在打压线板的过程中不断修正各条压线板的形状及分布区域，直到调整设计好的压线板在实际测试中满足机箱底板的下沉量要求。
5.然而，通过打压线板来补强机箱底板、降低下沉量的方式不仅会对服务器机箱本身的结构产生破坏，压线板的设置数量过多时也会影响机箱底板的结构强度，导致机箱高度增加，占据更多安装空间，并且，由于打压线板时并不清楚实际效果如何，只能凭经验进行布置，导致机箱底板需要反复多次进行打压线板的数量、位置等参数的调整，导致研发周期长，设计成本高。
6.因此，如何防止服务器在使用过程中产生过大的下沉变形，同时避免后期修补调整，降低研发生产周期和成本，是本领域技术人员面临的技术问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种基于有限元分析的服务器防下沉变形方法，能够防止服务器在使用过程中产生过大的下沉变形，同时避免后期修补调整，缩短研发生产周期和成本。本发明的另一目的是提供一种基于有限元分析的服务器防下沉变形系统。
8.为解决上述技术问题，本发明提供一种基于有限元分析的服务器防下沉变形方法，包括：
9.利用仿真软件对服务器机箱及其内部的服务器组件进行虚拟建模；
10.通过有限元分析软件对所述服务器机箱进行网格划分和材料属性设定；
11.对所述服务器机箱的两侧侧壁施加固定约束，并对所述服务器机箱的底板施加由
所述服务器机箱的自重及所述服务器组件的重力产生的垂向载荷，以获取所述底板的下沉变形分布情况；
12.在与下沉形变量超过预设阈值的各个区域对应的所述底板表面上的各位置处均加装初始数量的微加强模型；
13.复核所述底板在通过所述微加强模型进行局部结构加强后的下沉变形分布情况，并据此调整所述底板表面上的各位置处加装的微加强模型的数量，直至所述底板的各处下沉形变量均处于预设阈值内；
14.在服务器机箱的生产阶段于其底板的表面对应位置处加装数量分布与所述微加强模型一致的微加强模块。
15.优选地，在利用仿真软件对服务器机箱及其内部的服务器组件进行虚拟建模之后，以及在通过有限元分析软件对服务器机箱进行网格划分和材料属性设定之前，还包括：
16.在所述服务器组件中的主板表面加装满配配置模型，并在所述主板的背面加装防护板模型；
17.通过有限元分析软件对所述主板进行网格划分和材料属性设定；
18.对所述主板的各个侧边施加固定约束，并对所述主板施加由其自重及满配配置模型的重力产生的垂向载荷，以获取所述主板的下沉变形分布情况；
19.在与下沉形变量超过预设阈值的各个区域对应的所述防护板模型表面上的各位置处均加装初始数量的微加强模型；
20.复核所述主板的下沉变形分布情况，并据此调整所述防护板模型表面上的各位置处加装的微加强模型的数量，直至所述主板的各处下沉形变量均处于预设阈值内；
21.在主板的装配阶段于其防护板的表面对应位置处加装数量分布与所述微加强模型一致的微加强模块。
22.优选地，利用仿真软件对服务器机箱及其内部的服务器组件进行虚拟建模，具体包括：
23.利用仿真软件对服务器机箱进行虚拟建模；
24.在服务器机箱的底板表面上加装主板、硬盘架、风扇架、电源架的简化模型，并按照实物比例调整各所述简化模型在所述底板表面上的分布区域。
25.优选地，通过有限元分析软件对所述服务器机箱进行网格划分和材料属性设定，具体包括：
26.通过multizone及thin sweep方法对所述服务器机箱进行网格划分，并设定所述服务器机箱的质量密度、弹性模量、泊松比、热扩张系数。
27.优选地，对所述服务器机箱的底板施加由所述服务器组件的重力产生的垂向载荷时，提高所述硬盘架的垂向载荷的比例至所述服务器组件的总垂向载荷的50％～60％。
28.优选地，调整所述底板表面上的各位置处加装的微加强模型的数量，具体包括：
29.根据所述微加强模型的初始数量与所述底板表面各处位置的下沉量变化值获取所述微加强模型的加装数量与所述底板表面各处位置的下沉量的对应关系，并据此计算与所述底板的下沉变形分布情况对应的所述微加强模型的目标数量分布。
30.优选地，在利用仿真软件对服务器机箱及其内部的服务器组件进行虚拟建模之前，还包括：
31.利用仿真软件对微加强模块进行虚拟建模；
32.通过有限元分析软件对所述微加强模型进行形状参数调整，以使所述微加强模型的结构强度最优。
33.本发明还提供一种基于有限元分析的服务器防下沉变形系统，包括：
34.建模模块，用于利用仿真软件对服务器机箱及其内部的服务器组件进行虚拟建模；
35.预处理模块，用于通过有限元分析软件对所述服务器机箱进行网格划分和材料属性设定；
36.加载模块，用于对所述服务器机箱的两侧侧壁施加固定约束，并对所述服务器机箱的底板施加由所述服务器机箱的自重及所述服务器组件的重力产生的垂向载荷，以获取所述底板的下沉变形分布情况；
37.加装模块，用于在与下沉形变量超过预设阈值的各个区域对应的所述底板表面上的各位置处均加装初始数量的微加强模型；
38.调整模块，用于复核所述底板在通过所述微加强模型进行局部结构加强后的下沉变形分布情况，并据此调整所述底板表面上的各位置处加装的微加强模型的数量，直至所述底板的各处下沉形变量均处于预设阈值内；
39.执行机构，用于在服务器机箱的生产阶段于其底板的表面对应位置处加装数量分布与所述微加强模型一致的微加强模块。
40.优选地，所述微加强模块为凸出于所述底板表面的凸包块。
41.本发明所提供的基于有限元分析的服务器防下沉变形方法，主要包括六个步骤，其中，在第一步中，首先利用仿真软件分别对服务器机箱和其内部的各个服务器组件进行虚拟建模，以获得服务器机箱的三维模型和各个服务器组件的三维模型，且各个服务器组件的三维模型与服务器机箱的三维模型的连接关系与实体服务器机箱与服务器组件的连接关系保持一致。在第二步中，将前述步骤中建立的服务器机箱的三维模型和各个服务器组件的三维模型导入到有限元分析软件中，并利用有限元分析软件对服务器机箱的三维模型进行预处理，主要包括对其进行网格划分和材料属性设定。在第三步中，开始进行有限元分析模拟，首先对服务器机箱的三维模型中的两侧侧壁施加固定约束，以模拟实体服务器机箱中的底板所处环境，然后对服务器机箱和各个服务器组件设定重力属性，以对底板施加由服务器机箱的自重和服务器组件的重力所产生的垂向载荷，从而获取底板的下沉变形分布情况。在第四步中，根据前述步骤中获得的底板的下沉变形分布情况，在与其中下沉形变量超过预设阈值的各个区域所对应的底板表面上的各个位置处加装初始数量的微加强模型，以加强底板表面上产生下沉的各个位置处的局部结构强度，从而初步削减下沉形变量。在第五步中，由于微加强模型的初始数量可能不精确，因此需要复核底板的下沉变形分布情况，以便根据再次获取的下沉变形分布情况调整底板表面上的各下沉变形位置处加装的微加强模型的数量，直至底板的各处下沉形变量均处于预设阈值内。在第六步中，即可根据仿真结果，在服务器机箱的生产阶段中，在底板的表面对应位置处加强数量分布与微加强模型一致的微加强模块。
42.综上所述，本发明通过虚拟建模与有限元分析结合的方式，在服务器的设计阶段就预先获得精确的微加强模型在服务器机箱中的加装数量分布结果，从而在服务器的生产
阶段能够直接参照该仿真结果在服务器机箱中加装微加强模块，防止服务器在使用过程中产生过大的下沉变形。相比于现有技术，无需后期对服务器实体进行修补调整，能够缩短研发生产周期和成本。
43.本发明所提供的基于有限元分析的服务器防下沉变形系统，与上述基于有限元分析的服务器防下沉变形方法具有相同的有益效果。
附图说明
44.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
45.图1为本发明所提供的一种具体实施方式的方法流程图。
46.图2为本发明所提供的一种具体实施方式的系统模块图。
47.图3为微加强模块的具体结构示意图。
48.其中，图2—图3中：
49.建模模块—1，预处理模块—2，加载模块—3，加装模块—4，调整模块—5，执行机构—6，微加强模块—7。
具体实施方式
50.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
51.请参考图1，图1为本发明所提供的一种具体实施方式的方法流程图。
52.在本发明所提供的一种具体实施方式中，基于有限元分析的服务器防下沉变形方法主要包括六个步骤，分别为：
53.s1、利用仿真软件对服务器机箱及其内部的服务器组件进行虚拟建模；
54.s2、通过有限元分析软件对服务器机箱进行网格划分和材料属性设定；
55.s3、对服务器机箱的两侧侧壁施加固定约束，并对服务器机箱的底板施加由服务器机箱的自重及服务器组件的重力产生的垂向载荷，以获取底板的下沉变形分布情况；
56.s4、在与下沉形变量超过预设阈值的各个区域对应的底板表面上的各位置处均加装初始数量的微加强模型；
57.s5、复核底板在通过微加强模型进行局部结构加强后的下沉变形分布情况，并据此调整底板表面上的各位置处加装的微加强模型的数量，直至底板的各处下沉形变量均处于预设阈值内；
58.s6、在服务器机箱的生产阶段于其底板的表面对应位置处加装数量分布与微加强模型一致的微加强模块。
59.其中，在第一步中，首先利用仿真软件分别对服务器机箱和其内部的各个服务器组件进行虚拟建模，以获得服务器机箱的三维模型和各个服务器组件的三维模型，且各个
服务器组件的三维模型与服务器机箱的三维模型的连接关系与实体服务器机箱与服务器组件的连接关系保持一致。
60.具体的，在本步骤中，首先可通过仿真软件(比如cae等)对服务器机箱进行虚拟建模，模型的具体形状可与实体相同，但尺寸呈比例变化。服务器机箱的主要建模部位为底板和两侧侧壁。然后再对各个服务器组件进行虚拟建模，由于后续仿真分析过程中只需利用到各个服务器组件的重力属性和分布位置属性，因此可对服务器组件的建模过程进行简化处理，一般只需对主板、硬盘架、风扇架、电源架等主要的大质量部件进行建模即可，并且还可以对各个建模的服务器组件的模型进行几何简化处理，一般只需建模成呈矩形块状结构的简化模型即可。但在加装服务器组件时，需要按照实物比例调整各个简化模型在底板表面上的分布区域，比如分布位置、分布面积等。
61.在第二步中，将前述步骤中建立的服务器机箱的三维模型和各个服务器组件的三维模型导入到有限元分析软件中，并利用有限元分析软件对服务器机箱的三维模型进行预处理，主要包括对其进行网格划分和材料属性设定。
62.具体的，在本步骤中，首先可将第一步中建立好的服务器模型导入到有限元分析软件中，比如ansys、adina、abaqus、msc等，然后通过multizone及thin sweep方法对其中的服务器机箱进行网格划分(服务器组件可暂不划分)，将服务器机箱划分为若干个几何体单元。同时，由于需要对服务器机箱进行静力分析，因此还要对服务器机箱的材料属性进行设定，主要包括设定服务器机箱的质量密度、弹性模量、泊松比和热扩张系数等。
63.在第三步中，开始进行有限元分析模拟，首先对服务器机箱的三维模型中的两侧侧壁施加固定约束，以模拟实体服务器机箱中的底板所处环境，然后对服务器机箱和各个服务器组件设定重力属性，以对底板施加由服务器机箱的自重和服务器组件的重力所产生的垂向载荷，从而获取底板的下沉变形分布情况。
64.具体的，在本步骤中，当对底板施加由服务器组件的重力产生的垂向载荷时，考虑到在各个服务器组件中，最大质量体通常是硬盘架，而硬盘架一般分布在底板的一端位置，主板与其余服务器组件一般分布在底板的另一端位置，因此，在对各个服务器组件设定重力属性时，可适当提高硬盘架的垂向载荷的比例，比如达到服务器组件的总垂向载荷的50％～60％等。同时，硬盘架模型在底板表面上的分布面积一般占底板表面积的25％～35％，比如30％。
65.在第四步中，根据前述步骤中获得的底板的下沉变形分布情况，在与其中下沉形变量超过预设阈值的各个区域所对应的底板表面上的各个位置处加装初始数量的微加强模型，以加强底板表面上产生下沉的各个位置处的局部结构强度，从而初步削减下沉形变量。
66.具体的，在本步骤中，考虑到各个服务器组件的重量分布不均，在加装时，不同服务器组件对应的底板表面上的安装区域处加装的微加强模型的初始数量可各不相同，重量大的服务器组件对应的微加强模型的初始数量较大，反之亦然。比如，对于硬盘架所对应的底板表面的安装区域，可以适当提高微加强模型的初始数量。
67.在第五步中，由于微加强模型的初始数量可能不精确，因此需要复核底板的下沉变形分布情况，以便根据再次获取的下沉变形分布情况调整底板表面上的各下沉变形位置处加装的微加强模型的数量，直至底板的各处下沉形变量均处于预设阈值内。
68.具体的，在本步骤中，为便于软件自动分析、调整微加强模型的加装数量，首先可获取底板表面上各处下沉变形位置加装初始数量的微加强模型后产生的下沉形变量变化值，然后综合关联建立各处下沉变形位置的微加强模型的加装数量与下沉形变量的对应关系，最后再参照该对应关系计算出底板表面上各处下沉变形位置分别所需的微加强模型的目标数量。比如，底板表面上某处下沉变形位置的初始下沉形变量为x1，在该处加装1个微加强模型后，下沉形变量为x2，那么可以认为1个微加强模型对应的下沉形变量变化值δx为x1
‑
x2的绝对值。当然，微加强模型的数量与下沉形变量的变化值之间的关系可能并非线性，此时可根据复核结果继续调整微加强模型的数量。
69.同时，由于微加强模型在底板表面上也需要占据一定分布面积，因此，当微加强模型的加装数量较多时，在调整微加强模型的数量时，可优选按照圆形分布的形式逐层增减整微加强模型的数量，确保最终加装数量的微加强模型整体分布在底板表面的下沉形变区域内。
70.在第六步中，即可根据仿真结果，在服务器机箱的生产阶段中，在底板的表面对应位置处加强数量分布与微加强模型一致的微加强模块。
71.综上所述，本实施例通过虚拟建模与有限元分析结合的方式，在服务器的设计阶段就预先获得精确的微加强模型在服务器机箱中的加装数量分布结果，从而在服务器的生产阶段能够直接参照该仿真结果在服务器机箱中加装微加强模块，防止服务器在使用过程中产生过大的下沉变形。相比于现有技术，无需后期对服务器实体进行修补调整，能够缩短研发生产周期和成本。
72.此外，考虑到服务器组件中的主板不仅受到服务器机箱的底板的下沉变形影响，同时由于主板上装配的电子元器件数量较多、重量较大，因此主板还受到自身重力的下沉变形影响，导致主板受到的下沉变形影响较大，若仅针对服务器机箱的底板进行微加强模块设计，可能无法保证主板的防下沉变形需求，针对此，本实施例中增设了关于主板的防下沉变形操作步骤。
73.具体的，主板的防下沉变形操作步骤处于前述步骤s1与s2之间，与步骤s1～s6类似，主要包括六个子步骤，分别为：
74.首先在主板表面上加装满配配置模型，并在主板的背面加装防护板模型。其中，满配配置模型通常包括主板上安装的cpu、内存卡、pcie卡、散热器等较大质量的部件。防护板模型加装在主板的背面，可以认为是主板的背板，主要用于提高主板的结构强度，同时考虑到主板表面设置有电路，若直接在主板的表面上加装微加强模型，则在实际生产阶段中可能会破坏电路结构，因此，可利用防护板模型进行加装微加强模型。
75.然后通过有限元分析软件对主板进行网格划分和材料属性设定，接着对对主板的各个侧边施加固定约束，并对主板施加由其自重及满配配置模型的重力产生的垂向载荷，以获取主板的下沉变形分布情况，接下来在与下沉形变量超过预设阈值的各个区域对应的防护板模型表面上的各位置处均加装初始数量的微加强模型，最后复核主板的下沉变形分布情况，并据此调整防护板模型表面上的各位置处加装的微加强模型的数量，直至主板的各处下沉形变量均处于预设阈值内。之后，在后续的主板的装配阶段中，即可在防护板的表面对应位置处分别加装微加强模块，并确保微加强模块的数量分布与微加强模型一致。
76.另外，为提高微加强模型对下沉形变量的削减作用，优化微加强模型的结构设计，
同时考虑到在底板或防护板上加装微加强模型，可能会破坏其本身结构强度，在本实施例中增设了对于微加强模型的优化设计步骤，即在利用仿真软件对服务器机箱及其内部的服务器组件进行虚拟建模之前，事先完成微加强模型的建模优化。
77.如图3所示，图3为微加强模块7的具体结构示意图。
78.具体的，首先利用仿真软件对微加强模块进行虚拟建模，一般的，微加强模块通常呈拱起的凸包块形状。然后再通过有限元分析软件对微加强模型进行形状参数调整，以使所述微加强模型的结构强度最优。
79.一般的，在微加强模块的加工过程中存在三个关键参数，即台阶高度h、凸包倾角α和弯折角半径r。由于微加强模型为凸起形状，内部具有台阶面，容易造成材料在圆角处流动过快，导致减薄率过大，产生破裂缺陷，同时若凸起周围部分过长，容易失稳，造成材料局部堆积增厚，产生起皱缺陷。由于破裂与起皱等缺陷产生的直接原因都是变形后板材局部厚度的变化，因此需要控制微加强模型的各处厚度变化，才能保证成型质量。一般的，成型后的微加强模型的最大减薄率要求不高于20％，否则认为破裂。
80.其中，弯折角半径r的大小与材料厚度有关，若弯折角半径过小，会导致材料流入凹模困难，使弯折角处材料减薄，严重产生破裂缺陷；若弯折角半径过大，容易导致起皱。
81.对于台阶高度h，如果台阶高度过小，梯度就会加大，不利于材料流动，容易产生破裂；如果台阶高度过大，梯度就会过小，抗下沉变形效果会减弱。
82.通过实验分析可知，综合考虑最大减薄率和厚度均匀性对成型质量的影响，在微加强模块不产生破裂的前提下，其厚度分布应尽量均匀，从结构优化和静力分析的角度，最优微加强模块的结构参数组合即：弯折角半径为1mm，凸包倾角为10
°
，台阶高度为2mm。
83.当然，若有必要，也可以对微加强模型的台阶高度h、凸包倾角α和弯折角半径r分别进行微调。
84.如图2所示，图2为本发明所提供的一种具体实施方式的系统模块图。
85.本实施例还提供一种基于有限元分析的服务器防下沉变形系统，主要包括建模模块1、预处理模块2、加载模块3、加装模块4、调整模块5和执行机构6。
86.其中，建模模块1主要用于利用仿真软件对服务器机箱及其内部的服务器组件进行虚拟建模。
87.预处理模块2主要用于通过有限元分析软件对服务器机箱进行网格划分和材料属性设定。
88.加载模块3主要用于对服务器机箱的两侧侧壁施加固定约束，并对服务器机箱的底板施加由服务器机箱的自重及服务器组件的重力产生的垂向载荷，以获取底板的下沉变形分布情况。
89.加装模块4主要用于在与下沉形变量超过预设阈值的各个区域对应的底板表面上的各位置处均加装初始数量的微加强模型。
90.调整模块5主要用于复核底板在通过微加强模型进行局部结构加强后的下沉变形分布情况，并据此调整底板表面上的各位置处加装的微加强模型的数量，直至底板的各处下沉形变量均处于预设阈值内。
91.执行机构6主要用于在服务器机箱的生产阶段于其底板的表面对应位置处加装数量分布与微加强模型一致的微加强模块7。
92.在关于微加强模块7的一种优选实施例中，该微加强模块7的具体形状为凸出在底板及防护板表面的凸包块。当然，微加强模块7的具体形状参数并不固定，其余比如凸柱等也同样可行。
93.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。