ANSYS對(duì)手機(jī)跌落破壞仿真理論依據(jù)

2016-10-25 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

在電子產(chǎn)品迅猛發(fā)展的今天,產(chǎn)品的碰撞問(wèn)題是在經(jīng)濟(jì)建設(shè)和生產(chǎn)實(shí)際生活中經(jīng)常大量遇到的。凡是有形的物質(zhì)產(chǎn)品,如當(dāng)今盛行的手機(jī),便攜式電腦,電子字典和一些其它的電子器件等等從投產(chǎn)開(kāi)始,直到產(chǎn)品完全報(bào)廢,總是在不經(jīng)意時(shí)與它外界的物品發(fā)生碰撞,這是不可避免的。國(guó)家對(duì)電工電子產(chǎn)品的環(huán)境試驗(yàn)有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,其中一項(xiàng)重要試驗(yàn)項(xiàng)目就是自由跌落。為了能使自己的產(chǎn)品符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),生產(chǎn)廠家一般情況下都要對(duì)產(chǎn)品實(shí)物進(jìn)行自由跌落試驗(yàn),實(shí)物試驗(yàn)的缺點(diǎn)是:驗(yàn)后結(jié)論,即只有在試驗(yàn)完成后才知道設(shè)計(jì)是否有缺陷,而此時(shí)修改設(shè)計(jì)花費(fèi)的時(shí)間和費(fèi)用較高,不利于產(chǎn)品快速推向市場(chǎng)。有關(guān)研究表明,在新產(chǎn)品的研制過(guò)程中,約70%-80%的成本耗費(fèi)于設(shè)計(jì)階段。因?yàn)樵谶@個(gè)過(guò)程中,存在著因產(chǎn)品設(shè)計(jì)存在缺陷而導(dǎo)致產(chǎn)品重復(fù)修改、甚至重新設(shè)計(jì)。工程技術(shù)人員常常因產(chǎn)品設(shè)計(jì)的修改不得不重新復(fù)核圖紙并進(jìn)行修正,而其他相關(guān)的支持部門(mén)(例如模具部門(mén)、自動(dòng)化部門(mén)等等)也要作相應(yīng)的動(dòng)作來(lái)輔助設(shè)計(jì)部門(mén)進(jìn)行修改,不僅耗費(fèi)時(shí)間精力,而且造成產(chǎn)品成本上升、不能按時(shí)投放市場(chǎng)。因此,在電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段利用計(jì)算機(jī)仿真方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)耐撞性的分析可以有效地提高產(chǎn)品的可靠性,降低開(kāi)發(fā)成本,提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。在近年來(lái),碰撞模擬技術(shù)發(fā)展非常迅速,由于有限元技術(shù)的應(yīng)用使類(lèi)似碰撞的結(jié)構(gòu)分析更準(zhǔn)確、更直觀。有限元模型可以建立局部結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析模型,它能真實(shí)地描述結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形。本文利用大型有限元軟件MSC公司的PATRAN/DYTRAN軟件對(duì)一手機(jī)殼體模型實(shí)現(xiàn)了由PRO/E中導(dǎo)入,并分析手機(jī)跌落模擬仿真過(guò)程中加強(qiáng)筋的厚度對(duì)手機(jī)殼體強(qiáng)度和剛度的影響。

1、算法分析和加強(qiáng)筋的作用

算法分析

碰撞是一個(gè)動(dòng)態(tài)復(fù)雜過(guò)程,接觸和高速?zèng)_擊載荷影響著碰撞的全過(guò)程,系統(tǒng)具有幾何非線性、材料非線性和碰撞邊界非線性多重非線性,因此,對(duì)于手機(jī)外殼結(jié)構(gòu)在沖擊載荷下的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真,得到外殼在整個(gè)過(guò)程

中的應(yīng)力歷程的數(shù)值算法一般都會(huì)采用顯式積分求解算法。

顯式積分求解算法的原理如下:

1)建立碰撞運(yùn)動(dòng)方程

在總體坐標(biāo)系下,碰撞的運(yùn)動(dòng)方程可以表示為:

[M]{a}+[C]{v}+[K]wiyegc8={F } (1)

式中: [M]為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣;[C]為結(jié)構(gòu)的阻尼矩陣;[K]為結(jié)構(gòu)的剛度矩

陣;{a}為加速度向量;{v}為速度向量;cwucqsy為位移向量;{F }為包括碰撞力在內(nèi)的外力向量;

若令{F } =[C]{v}+[K]igmgogy,并設(shè):{F }={F }-{F },則碰撞方程可以

寫(xiě)成為:

[M]{a}={F } (2)

如果采用集中質(zhì)量,即質(zhì)量矩陣[M]變成對(duì)角矩陣,則各個(gè)自由度的方程將

是相互獨(dú)立的,即:

M a=F (i=1,2,…) (3)

2)顯式積分算法

用顯式方法求解碰撞運(yùn)動(dòng)方程,首先由方程(3)直接求出

a=F / M (4)

然后對(duì)時(shí)間積分求得速度v,再積分一次就會(huì)獲得位移d,這里采用中心差分的顯式格式來(lái)進(jìn)行時(shí)間積分。中心差分的顯式格式為:

v =v+a(△t +△t )/2

d =d+v.△t (5)

△ t =(△t +△t )/2

因此在整個(gè)時(shí)域范圍內(nèi),可由上述積分遞推公式求得各個(gè)離散時(shí)間點(diǎn)處的位

移、速度和加速度。顯式積分不需要進(jìn)行矩陣分解或求逆,無(wú)需求解聯(lián)立方程組,也不存在收斂性問(wèn)題,因此計(jì)算速度快,其穩(wěn)定性準(zhǔn)則能自動(dòng)控制計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)的大小,保證時(shí)間積分的進(jìn)度。應(yīng)用顯示積分算法求解碰撞問(wèn)題時(shí),一個(gè)特別值得注意的問(wèn)題就是時(shí)間步長(zhǎng)不能超過(guò)臨界時(shí)間步長(zhǎng)。對(duì)于本文的殼元:

△ t<α(L /c),其中,α為時(shí)步因子,L為板殼元最小的單元邊長(zhǎng)度,c=為材料的聲速。

1.2 加強(qiáng)筋在手機(jī)設(shè)計(jì)中的作用

加強(qiáng)筋是手機(jī)殼體設(shè)計(jì)中必不可少的部分,加強(qiáng)筋是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的加強(qiáng)殼體強(qiáng)度(Strength)和剛度(Stiffness)的特征,加強(qiáng)筋還起到對(duì)裝配中元器件定位的作用;對(duì)互相配合的部件起對(duì)齊的作用;對(duì)機(jī)構(gòu)起止位和導(dǎo)向的作用。通過(guò)設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋僅需要增加7%的材料,而通過(guò)增加壁厚卻需要增加25%的材料。

加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)涉及到厚度(Thickness),高度(Height),位置(Location),數(shù)量(Quantity),成型(Moldability),等五個(gè)方面。厚度很關(guān)鍵,太厚會(huì)引起對(duì)面的表面上有縮水(Sink)和外觀(Cosmetic)的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)加強(qiáng)筋的厚度和手機(jī)殼體的厚度是有一定的關(guān)系的,即加強(qiáng)筋厚度=殼體厚度的%。

一般來(lái)說(shuō),加強(qiáng)筋的數(shù)量都是以偶數(shù)出現(xiàn)的,本文為了得出不同厚度的加強(qiáng)筋對(duì)手機(jī)殼體強(qiáng)度和剛度的影響,對(duì)手機(jī)殼體上加強(qiáng)筋的數(shù)量進(jìn)行了簡(jiǎn)化,只在碰撞區(qū)域加兩個(gè)加強(qiáng)筋來(lái)作分析。

2 、不同厚度的加強(qiáng)筋對(duì)手機(jī)殼體強(qiáng)度和剛度的影響

仿真模型的建立

建立仿真分析的模型是仿真的前提條件。這里利用CAD建模軟件 PRO/E 建立了手機(jī)殼體模型。由于MSC.Patran能與PRO/E無(wú)縫集成,它的前后處理功能強(qiáng)大,能識(shí)別CAD模型特征,自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分和局部網(wǎng)格過(guò)渡。這樣,就將手機(jī)殼體幾何模型轉(zhuǎn)化為供仿真分析的問(wèn)題抽象模型(見(jiàn)圖 2)。

有限元網(wǎng)格劃分

離散單元采用4結(jié)點(diǎn)的四面體元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于加強(qiáng)筋厚度的不同,從而導(dǎo)致了手機(jī)殼體的節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)微有不同,結(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)見(jiàn)表 1。

表 1 手機(jī)殼體和剛性墻模型的結(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)

表 1 手機(jī)殼體和剛性墻模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)
零件	節(jié)點(diǎn)數(shù)	單元數(shù)
手機(jī)殼體	(大約)5880	(大約)16880
剛性墻	76	59

模型分析

手機(jī)跌落到地面的過(guò)程,可以看成是其以一定的初始速度碰到剛性墻的過(guò)程,所以本文在有限元模型的下方設(shè)立一剛性墻,讓模型以一定的初始速度撞向剛性墻。這個(gè)初始速度為物體自由下落1.5m 時(shí)的速度。接觸采用了兩個(gè)面之間的任意接觸類(lèi)型,為了定義接觸,必須先定義發(fā)生接觸的面(Surface)。相互接觸的兩個(gè)面,其地位是不相等的,一個(gè)被成為“主面”,另一個(gè)被稱(chēng)謂“從屬面”。主接觸面的面段,其法線應(yīng)當(dāng)指向同一個(gè)方向,否則會(huì)有問(wèn)題,故這里把剛性墻設(shè)置位“主面”,手機(jī)殼體設(shè)置為“從屬面”。最后生成MSC.DYTRAN計(jì)算所需要的*.dat輸入文件,并提交給DYTRAN進(jìn)行計(jì)算。

手機(jī)殼體材料為PC/ABS,為塑料材料,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,將它看作一般的彈塑性材料,其參數(shù)為:屈服強(qiáng)度為80MPa,密度為1140kg/cm^3,彈性模量為2.50GPa,泊松比為0.3,手機(jī)殼體厚度為1.5mm,手機(jī)總體質(zhì)量為80g。

由于本文主要考慮手機(jī)外殼在碰撞時(shí)不同厚度的加強(qiáng)筋對(duì)手機(jī)殼體強(qiáng)度和剛度的影響,所以對(duì)跌落仿真分析過(guò)程中出現(xiàn)的手機(jī)殼體失效問(wèn)題不加以分析。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定跌落高度的優(yōu)先選擇值25、100、500、1000mm等,出于安全性的考慮選取跌落高度為1500mm,與地面剛性撞擊,如圖 1所示。

無(wú)加強(qiáng)筋和有不同厚度加強(qiáng)筋的手機(jī)殼體在經(jīng)軟件分析計(jì)算后的最大應(yīng)力及應(yīng)變?nèi)绫?2所示。由于篇幅所限下面只給出rib thickness=stX50%和stX75%的應(yīng)力圖,如圖 3所示。

表 2 有不同厚度加強(qiáng)筋和無(wú)加強(qiáng)筋的手機(jī)殼體和最大應(yīng)力、應(yīng)變

殼體厚度(st):1.5mm 材料(mat):pc/abs 屈服應(yīng)力(ys):80MPa
殼體有加強(qiáng)筋	rib thickness(Xst)	Y-stress(max.)	effective plastic strain(max.)
單位:	Mpa
40%	94.0	2.45E-02
45%	93.7	2.42E-02
50%	93.7	2.33E-02
55%	93.7	2.31E-02
60%	93.4	2.27E-02
65%	93.3	2.25E-02
70%	93.1	2.22E-02
75%	93.0	2.20E-02
80%	92.9	2.19E-02
85%	92.9	2.14E-02
殼體無(wú)加強(qiáng)筋	92.9	1.94E-02

仿真結(jié)果分析

從分析的結(jié)果可以得出手機(jī)殼體通過(guò)增加加強(qiáng)筋是可以提高其強(qiáng)度和剛度的,而對(duì)于具有不同厚度加強(qiáng)筋的手機(jī)殼體分析是從加強(qiáng)筋厚度=殼體厚度的40%開(kāi)始的,到加強(qiáng)筋厚度=殼體厚度的85%結(jié)束,其中數(shù)據(jù)采樣間隔為5%,從分析結(jié)果來(lái)看,由于在跌落分析過(guò)程中手機(jī)殼體在Y軸方向上所受的應(yīng)力最大值已經(jīng)超出了材料的屈服應(yīng)力,故殼體發(fā)生了塑性變形,伴隨著加強(qiáng)筋厚度的增加,手機(jī)殼體的強(qiáng)度有所增強(qiáng),而塑性變形量有所下降,當(dāng)加強(qiáng)筋厚度=殼體厚度的50%時(shí),相對(duì)于加強(qiáng)筋厚度=殼體厚度的45%時(shí),塑性應(yīng)變值下降的最大,應(yīng)變值的下降率為3.72%,而當(dāng)加強(qiáng)筋厚度=殼體厚度的80%時(shí),相對(duì)于加強(qiáng)筋厚度=殼體厚度的75%時(shí),塑性應(yīng)變值下降的最小,應(yīng)變值的下降率僅為0.45%,同時(shí)考慮到模具加工的工藝性要求,建議對(duì)于手機(jī)殼體材料為PC/ABS,手機(jī)殼體壁厚<=1.5mm的時(shí)候,加強(qiáng)筋厚度設(shè)計(jì)通用參考:殼體厚度的50%<=加強(qiáng)筋厚度<=殼體厚度的75%。

3 結(jié)論

本文通過(guò)深入分析無(wú)加強(qiáng)筋和有不同厚度的加強(qiáng)筋對(duì)手機(jī)殼體強(qiáng)度和剛度的影響,得出利用CAE工具,對(duì)產(chǎn)品的自由跌落狀況進(jìn)行仿真。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析,能夠?yàn)楫a(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及改型提供一定的依據(jù)。使得在樣機(jī)制作出來(lái)之前即可預(yù)知設(shè)計(jì)是否存在缺陷,因此可及時(shí)修改設(shè)計(jì),縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間,加速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程;同時(shí)也可以降低產(chǎn)品的成本,提高產(chǎn)品質(zhì)量。本文的仿真分析雖然是針對(duì)手機(jī)的,但是所得出的結(jié)論也適合其他需要作跌落測(cè)試的電子產(chǎn)品。

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