散热风扇多向弹簧预紧力均衡与宽频振动能量优化方法及风扇与流程

本发明涉及振动仿真，特别涉及一种散热风扇多向弹簧预紧力均衡与宽频振动能量优化方法及风扇。

背景技术：

1、散热风扇是电子设备热管理系统的核心部件，在高转速运行状态下，叶片旋转产生的非定常气动激励力沿轴向、径向、切向三个方向同时作用于轴承-弹簧支撑系统，引发宽频带结构振动，导致轴承磨损加剧、噪声超标及设备寿命缩短。

2、现有技术中，散热风扇的振动抑制方案仅在轴向方向设置单一预紧弹簧，依赖工程经验确定弹簧预紧力参数，缺乏将三向气动激励力频域特征与结构动力学响应定量关联的仿真手段，导致弹簧刚度与实际气动载荷谱严重失配，径向与切向振动模态长期处于无约束状态，宽频带振动能量大量通过风扇框架辐射为结构噪声，进而导致设计迭代周期长、振动抑制效果在实物产品中难以可靠复现。

技术实现思路

1、本发明的主要目的为提供一种散热风扇多向弹簧预紧力均衡与宽频振动能量优化方法及风扇，本发明解决了现有技术依赖稳态时均气动力、无法表征宽频激励特性的技术问题，在保证计算效率的前提下输出三向弹簧预紧力最优值，实现了三向振动能量的协同均衡抑制。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种散热风扇多向弹簧预紧力均衡与宽频振动能量优化方法，包括以下步骤：

3、对散热风扇进行仿真计算，得到轴向的第一功率谱密度数据、径向的第二功率谱密度数据、切向的第三功率谱密度数据及气动激励主频集合；

4、基于所述第一功率谱密度数据、所述第二功率谱密度数据、所述第三功率谱密度数据计算各阶固有频率及轴向的第一分配系数、径向的第二分配系数、切向的第三分配系数；

5、基于所述气动激励主频集合与所述各阶固有频率确定共振风险模态集合，并基于所述共振风险模态集合、所述第一分配系数、所述第二分配系数、所述第三分配系数，求解轴向的第一弹簧预紧力、径向的第二弹簧预紧力、切向的第三弹簧预紧力。

6、可选的，在本发明第一方面的第一种实现方式中，所述对散热风扇进行仿真计算，得到轴向的第一功率谱密度数据、径向的第二功率谱密度数据、切向的第三功率谱密度数据及气动激励主频集合，包括：

7、基于comsol湍流cfd模块对散热风扇进行仿真计算，对叶片表面压力与粘性剪切力沿轴向、径向、切向分别进行积分投影，得到轴向的第一气动激励力数据、径向的第二气动激励力数据、切向的第三气动激励力数据；

8、分别对所述第一气动激励力数据、所述第二气动激励力数据、所述第三气动激励力数据进行快速傅里叶变换，得到轴向的第一功率谱密度数据、径向的第二功率谱密度数据、切向的第三功率谱密度数据及对应的气动激励主频集合。

9、可选的，在本发明第一方面的第二种实现方式中，所述分别对所述第一气动激励力数据、所述第二气动激励力数据、所述第三气动激励力数据进行快速傅里叶变换，得到轴向的第一功率谱密度数据、径向的第二功率谱密度数据、切向的第三功率谱密度数据及对应的气动激励主频集合，包括：

10、分别对所述第一气动激励力数据、所述第二气动激励力数据、所述第三气动激励力数据执行快速傅里叶变换，得到轴向单边幅值谱、径向单边幅值谱、切向单边幅值谱；

11、基于所述轴向单边幅值谱计算第一全频段均方根值；基于所述径向单边幅值谱计算第二全频段均方根值；基于所述切向单边幅值谱计算第三全频段均方根值；

12、根据所述第一全频段均方根值提取轴向的第一功率谱密度数据及第一气动激励主频数据；根据所述第二全频段均方根值提取径向的第二功率谱密度数据及第二气动激励主频数据；根据所述第三全频段均方根值提取切向的第三功率谱密度数据及第三气动激励主频数据；

13、将所述第一气动激励主频数据、所述第二气动激励主频数据、所述第三气动激励主频数据合并去重，得到气动激励主频集合。

14、可选的，在本发明第一方面的第三种实现方式中，所述基于所述第一功率谱密度数据、所述第二功率谱密度数据、所述第三功率谱密度数据计算各阶固有频率及轴向的第一分配系数、径向的第二分配系数、切向的第三分配系数，包括：

15、在comsol固体力学模块中建立散热风扇耦合结构的有限元模型；

16、将所述第一功率谱密度数据、所述第二功率谱密度数据、所述第三功率谱密度数据作为载荷边界条件输入所述有限元模型，求解各阶固有频率及各阶振型；

17、分别计算各阶振型在轴向弹簧阵列、径向弹簧阵列、切向弹簧阵列上的弹性势能占各阶模态总应变能的比值，得到第一分配系数、第二分配系数、第三分配系数。

18、可选的，在本发明第一方面的第四种实现方式中，所述将所述第一功率谱密度数据、所述第二功率谱密度数据、所述第三功率谱密度数据作为载荷边界条件输入所述有限元模型，求解各阶固有频率及各阶振型，包括：

19、将所述第一功率谱密度数据、所述第二功率谱密度数据、所述第三功率谱密度数据以comsol插值函数格式导入所述有限元模型，作为叶片表面对应节点的载荷边界条件；

20、启用arpack求解器对所述有限元模型进行求解，得到各阶固有频率及各阶振型。

21、可选的，在本发明第一方面的第五种实现方式中，所述基于所述气动激励主频集合与所述各阶固有频率确定共振风险模态集合，并基于所述共振风险模态集合、所述第一分配系数、所述第二分配系数、所述第三分配系数，求解轴向的第一弹簧预紧力、径向的第二弹簧预紧力、切向的第三弹簧预紧力，包括：

22、根据所述气动激励主频集合与各阶固有频率计算共振风险模态集合；

23、基于所述共振风险模态集合、所述第一分配系数、所述第二分配系数、所述第三分配系数，以轴向弹簧预紧力构建第一kriging代理模型、径向弹簧预紧力构建第二kriging代理模型、切向弹簧预紧力构建第三kriging代理模型；

24、基于所述第一kriging代理模型、所述第二kriging代理模型及所述第三kriging代理模型进行多目标优化计算，得到轴向的第一弹簧预紧力、径向的第二弹簧预紧力、切向的第三弹簧预紧力。

25、可选的，在本发明第一方面的第六种实现方式中，所述基于所述第一kriging代理模型、所述第二kriging代理模型及所述第三kriging代理模型进行多目标优化计算，得到轴向的第一弹簧预紧力、径向的第二弹簧预紧力、切向的第三弹簧预紧力，包括：

26、基于所述第一kriging代理模型进行多目标优化计算，得到第一候选解集；基于所述第二kriging代理模型进行多目标优化计算，得到第二候选解集；基于所述第三kriging代理模型进行多目标优化计算，得到第三候选解集；

27、从所述第一候选解集中选取第一最优解作为轴向的第一弹簧预紧力；从所述第二候选解集中选取第二最优解作为径向的第二弹簧预紧力；从所述第三候选解集中选取第三最优解作为切向的第三弹簧预紧力。

28、可选的，在本发明第一方面的第七种实现方式中，在求解轴向的第一弹簧预紧力、径向的第二弹簧预紧力、切向的第三弹簧预紧力之后，还包括：

29、根据所述第一弹簧预紧力、所述第二弹簧预紧力、所述第三弹簧预紧力对所述散热风扇耦合结构进行静态变形求解，以所述第一功率谱密度数据、所述第二功率谱密度数据、所述第三功率谱密度数据进行宽频带频域扫频仿真，得到轴向的第一频率响应数据、径向的第二频率响应数据、切向的第三频率响应数据；

30、根据所述第一频率响应数据、所述第二频率响应数据、所述第三频率响应数据执行弹簧预紧力验证，将验证通过的第一弹簧预紧力、第二弹簧预紧力、第三弹簧预紧力分别除以弹簧线性刚度，得到轴向的第一弹簧装配压缩量、径向的第二弹簧装配压缩量、切向的第三弹簧装配压缩量。

31、可选的，在本发明第一方面的第八种实现方式中，所述根据所述第一弹簧预紧力、所述第二弹簧预紧力、所述第三弹簧预紧力对所述散热风扇耦合结构进行静态变形求解，以所述第一功率谱密度数据、所述第二功率谱密度数据、所述第三功率谱密度数据进行宽频带频域扫频仿真，得到轴向的第一频率响应数据、径向的第二频率响应数据、切向的第三频率响应数据，包括：

32、将所述第一弹簧预紧力、所述第二弹簧预紧力、所述第三弹簧预紧力施加于所述有限元模型进行静态变形求解，得到静态变形场及应力刚化矩阵；

33、根据所述静态变形场及所述应力刚化矩阵，将所述第一功率谱密度数据、所述第二功率谱密度数据、所述第三功率谱密度数据输入所述有限元模型执行频域扫频仿真，得到轴向的第一频率响应数据、径向的第二频率响应数据、切向的第三频率响应数据。

34、本发明还提供了一种风扇，用于实现上述任一项所述的方法的步骤。

35、综上所述，本发明通过对叶片表面气动载荷沿轴向、径向、切向三个方向分别进行积分投影并提取对应功率谱密度数据，在同一仿真环境中同步获取三向气动激励力的频域分布特征，解决了现有技术依赖稳态时均气动力、无法表征宽频激励特性的技术问题；本发明通过在含三向解耦弹簧阵列的散热风扇耦合结构有限元模型中计算各阶振型的轴向、径向、第三分配系数，实现了对宽频带内各阶共振模态振动能量方向来源的精确溯源，通过kriging代理模型与多目标优化算法的协同求解，以三向振动加速度均衡目标函数、宽频带振动总能量目标函数及共振风险模态强迫响应幅值目标函数为优化目标，在保证计算效率的前提下输出三向弹簧预紧力最优值，实现了三向振动能量的协同均衡抑制。