基于HyperMesh/Ls-Dyna的手機(jī)跌落模擬仿真

當(dāng)有限元方法應(yīng)用于實(shí)際問題的分析時(shí),方便、快捷地得到可靠的結(jié)果,無(wú)疑是共同的目標(biāo)。因此分析過程的有效性和結(jié)果的可靠性成為有限元方法的兩大核心問題,其中涉及合理的有限元模型的建立,恰當(dāng)?shù)姆治龇桨负陀?jì)算方法的選擇,以及對(duì)計(jì)算結(jié)果的正確解釋和處理三個(gè)方面,這些在本文后面的內(nèi)容中都有詳述。由于基于有限元的手機(jī)跌落模擬仿真分析是手機(jī)耐撞設(shè)計(jì)與改進(jìn)的重要方法和手段,因此,如何保證仿真的精度和正確性以及提高仿真效率對(duì)于其工程應(yīng)用至關(guān)重要。一般說,仿真的精度與正確性與兩個(gè)因素有關(guān),第一個(gè)因素是有限元模型建立的精度,第二個(gè)因素是有限元仿真軟件的核心計(jì)算算法。仿真的效率也與兩個(gè)因素有關(guān),第一個(gè)因素是有限元模型網(wǎng)格精度的控制,第二個(gè)因素是仿真過程中適當(dāng)?shù)那蠼饪刂啤Ｒ虼?下面將簡(jiǎn)要介紹一下本文項(xiàng)目進(jìn)行模擬仿真求解時(shí)所選擇模擬仿真軟件的一些特點(diǎn)。

由于有限元技術(shù)的特點(diǎn),使得有限元軟件的前后處理軟件成為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立而又十分重要的部分。目前,在國(guó)際上被認(rèn)可的前后處理軟件包括Altair公司的HyperMesh、MSC公司的Patran、EDS公司的FEMAP、SamTech公司的Samce/Field、CAE-Beta公司的ANSA、CFDRC公司的CFD-GEOM和Ceetron公司的GLview Pro和CEI公司的EnSight等軟件。在一般情況下,相關(guān)的前后處理軟件都與比較通用的CAD軟件具有良好的接口,同時(shí)也可與眾多的有限元求解軟件相結(jié)合,以便于用戶更快、更方便地解決一些問題。

HyperMesh是一款高效率的有限元前后處理軟件,能夠建立各種復(fù)雜模型的有限元和有限差分模型,與多種CAD和CAE軟件有良好的接口并具有高效的網(wǎng)格劃分功能。HyperMesh是一個(gè)針對(duì)有限元主流求解器的高性能有限元前后處理軟件,工程設(shè)計(jì)人員可以在一個(gè)極佳的交互式可視環(huán)境下對(duì)多種設(shè)計(jì)條件進(jìn)行分析。HyperMesh的圖形用戶界面易于學(xué)習(xí)。其先進(jìn)的后處理工具可以方便地顯示復(fù)雜地模擬結(jié)果,并使之易于理解。下面簡(jiǎn)要介紹一下HyperMesh軟件本身的強(qiáng)勢(shì)。

LS-DYNA軟件是功能齊全的幾何非線性(大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)和大應(yīng)變)、材料非線性(140多種材料動(dòng)態(tài)模型)和接觸非線性(50多種)程序^[8]。它以Lagrange算法為主,兼有ALE和Euler算法;以顯式求解為主,兼有隱式求解功能;以結(jié)構(gòu)分析為主,兼有熱分析、流固耦合功能;以非線性動(dòng)力分析為主,兼有靜力分析功能(如動(dòng)力分析前的預(yù)應(yīng)力計(jì)算和薄板沖壓成型后的回彈計(jì)算);是軍用和民用相結(jié)合的通用結(jié)構(gòu)分析非線性有限元程序。

由于軟件本身發(fā)展的歷史原因,無(wú)論是從單元庫(kù)和材料模型上,還是從接觸類型和算法上,其都非常適合求解電子產(chǎn)品所涉及到的模擬仿真問題。

通過上面關(guān)于兩個(gè)軟件的陳述,可以說本文選擇的兩個(gè)聯(lián)合求解軟件可謂是強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合,因?yàn)樗鼈冊(cè)诟髯缘膽?yīng)用領(lǐng)域都是非常著名的并得到了許許多多國(guó)際化大公司的認(rèn)可,這樣的選擇不僅能夠提高計(jì)算精度,而且也減少了計(jì)算成本,達(dá)到資源優(yōu)化的目的。

 “3C”產(chǎn)品(電視、手機(jī)、掃描儀、空調(diào)、計(jì)算機(jī)、電動(dòng)工具等)在運(yùn)輸、裝卸及使用過程中結(jié)構(gòu)可能發(fā)生破壞。有接近80%的電子機(jī)構(gòu)產(chǎn)品損壞來自于高速撞擊,研發(fā)人員往往耗費(fèi)大量的時(shí)間與成本針對(duì)產(chǎn)品做相關(guān)的品質(zhì)驗(yàn)證,最常見的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)就是跌落和沖擊試驗(yàn),在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家,電子家電等產(chǎn)品傳統(tǒng)的跌落試驗(yàn)越來越多地有計(jì)算機(jī)仿真來完成,這不僅顯著地降低了產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用和縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期,而且極大提高了企業(yè)研發(fā)能力和產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

傳統(tǒng)的跌落試驗(yàn)有以下局限性:

?         必須要有原型機(jī)才能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

?         很難控制跌落沖擊的邊界條件

?         檢測(cè)裝置固定方式的影響

?         只能獲得有限數(shù)據(jù)信息

?         很難檢測(cè)到產(chǎn)品內(nèi)部的沖擊特性

?         很難觀測(cè)到整個(gè)跌落沖擊過程

而計(jì)算機(jī)模擬仿真通過建立產(chǎn)品的一個(gè)有限元模型,就可在計(jì)算機(jī)中很方便地進(jìn)行各個(gè)方向的跌落分析,能在產(chǎn)品設(shè)計(jì)樣機(jī)出來之前就得到結(jié)構(gòu)的響應(yīng)行為,檢查產(chǎn)品的力學(xué)性能,預(yù)測(cè)失效,指導(dǎo)設(shè)計(jì)優(yōu)化和驗(yàn)證。

1.結(jié)構(gòu)的沖擊強(qiáng)度

設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是否滿足沖擊強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求,如LCD模組破裂、殼體開裂、電池蓋脫落、各種聯(lián)結(jié)失效等。

2.修正設(shè)計(jì)后的效果

根據(jù)上一次的跌落分析,對(duì)不滿足沖擊強(qiáng)度要求的設(shè)計(jì)進(jìn)行修改,模擬驗(yàn)證修正設(shè)計(jì)后是否達(dá)到強(qiáng)度設(shè)計(jì)的要求。

3.關(guān)鍵部件的性能

對(duì)于關(guān)鍵的部件,它的使用功能在沖擊力的作用下是否失效,例如部件所受到的應(yīng)力是否超出部件材料的屈服極限。

4.包裝材料是否能滿足性能要求

對(duì)于包裝吸能材料的設(shè)計(jì)是否達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求,例如是否能夠保證產(chǎn)品在運(yùn)輸過程中的沖擊和跌落不會(huì)損傷包裝里面的產(chǎn)品。

5.導(dǎo)致失效的真實(shí)原因

有時(shí)進(jìn)行了各種改進(jìn)的設(shè)計(jì),但是還是不能滿足設(shè)計(jì)要求,這時(shí)通過仿真分析和過程的顯示可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品失效的真實(shí)原因。

6.跌落過程的展現(xiàn)

完整展現(xiàn)整個(gè)跌落過程,顯示接觸和碰撞的機(jī)理。

在本文手機(jī)產(chǎn)品的跌落模擬仿真分析中,會(huì)對(duì)手機(jī)殼體結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上是否滿足電子產(chǎn)品的強(qiáng)度沖擊要求進(jìn)行確認(rèn),對(duì)關(guān)鍵部件的性能是否達(dá)到了強(qiáng)度沖擊要求進(jìn)行模擬驗(yàn)證,如不符合怎樣進(jìn)行修改再驗(yàn)證等等分析過程,最終還會(huì)展現(xiàn)完整跌落過程。

跌落仿真分析可以完全融入到一個(gè)產(chǎn)品開發(fā)的整個(gè)流程,總體來說可以分為三個(gè)階段。

1.概念設(shè)計(jì)階段

在概念設(shè)計(jì)階段可以針對(duì)概念設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真分析,從而在產(chǎn)品早期階段發(fā)現(xiàn)問題,消除隱患。

2.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段

一般說來,對(duì)于任何產(chǎn)品,有限元分析運(yùn)用在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段是最多的,這個(gè)階段分析的結(jié)果數(shù)據(jù)不僅可以指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì),在樣機(jī)出來之前就可以消除一些設(shè)計(jì)缺陷,而且加快產(chǎn)品研發(fā)的進(jìn)度,使產(chǎn)品能夠更快更好的投放市場(chǎng)。

3.產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)階段

在樣機(jī)出來后,可以結(jié)合樣機(jī)實(shí)驗(yàn),進(jìn)行沖擊強(qiáng)度校核,發(fā)現(xiàn)問題和解決問題,進(jìn)行產(chǎn)品改進(jìn)方案設(shè)計(jì)。