ANSYS對手機跌落破壞仿真理論依據

2016-10-25 by:CAE仿真在線來源:互聯網

在電子產品迅猛發展的今天,產品的碰撞問題是在經濟建設和生產實際生活中經常大量遇到的。凡是有形的物質產品,如當今盛行的手機,便攜式電腦,電子字典和一些其它的電子器件等等從投產開始,直到產品完全報廢,總是在不經意時與它外界的物品發生碰撞,這是不可避免的。國家對電工電子產品的環境試驗有嚴格的標準規定,其中一項重要試驗項目就是自由跌落。為了能使自己的產品符合國家標準,生產廠家一般情況下都要對產品實物進行自由跌落試驗,實物試驗的缺點是:驗后結論,即只有在試驗完成后才知道設計是否有缺陷,而此時修改設計花費的時間和費用較高,不利于產品快速推向市場。有關研究表明,在新產品的研制過程中,約70%-80%的成本耗費于設計階段。因為在這個過程中,存在著因產品設計存在缺陷而導致產品重復修改、甚至重新設計。工程技術人員常常因產品設計的修改不得不重新復核圖紙并進行修正,而其他相關的支持部門(例如模具部門、自動化部門等等)也要作相應的動作來輔助設計部門進行修改,不僅耗費時間精力,而且造成產品成本上升、不能按時投放市場。因此,在電子產品開發階段利用計算機仿真方法進行結構耐撞性的分析可以有效地提高產品的可靠性,降低開發成本,提高產品的市場競爭能力。在近年來,碰撞模擬技術發展非常迅速,由于有限元技術的應用使類似碰撞的結構分析更準確、更直觀。有限元模型可以建立局部結構的力學分析模型,它能真實地描述結構的應力與變形。本文利用大型有限元軟件MSC公司的PATRAN/DYTRAN軟件對一手機殼體模型實現了由PRO/E中導入,并分析手機跌落模擬仿真過程中加強筋的厚度對手機殼體強度和剛度的影響。

1、算法分析和加強筋的作用

算法分析

碰撞是一個動態復雜過程,接觸和高速沖擊載荷影響著碰撞的全過程,系統具有幾何非線性、材料非線性和碰撞邊界非線性多重非線性,因此,對于手機外殼結構在沖擊載荷下的瞬態動力學過程進行數值仿真,得到外殼在整個過程

中的應力歷程的數值算法一般都會采用顯式積分求解算法。

顯式積分求解算法的原理如下:

1)建立碰撞運動方程

在總體坐標系下,碰撞的運動方程可以表示為:

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

式中: [M]為結構的質量矩陣;[C]為結構的阻尼矩陣;[K]為結構的剛度矩

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

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

寫成為:

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

如果采用集中質量,即質量矩陣[M]變成對角矩陣,則各個自由度的方程將

是相互獨立的,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動方程,首先由方程(3)直接求出

a=F / M (4)

然后對時間積分求得速度v,再積分一次就會獲得位移d,這里采用中心差分的顯式格式來進行時間積分。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

因此在整個時域范圍內,可由上述積分遞推公式求得各個離散時間點處的位

移、速度和加速度。顯式積分不需要進行矩陣分解或求逆,無需求解聯立方程組,也不存在收斂性問題,因此計算速度快,其穩定性準則能自動控制計算時間步長的大小,保證時間積分的進度。應用顯示積分算法求解碰撞問題時,一個特別值得注意的問題就是時間步長不能超過臨界時間步長。對于本文的殼元:

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

1.2 加強筋在手機設計中的作用

加強筋是手機殼體設計中必不可少的部分,加強筋是一種經濟實用的加強殼體強度(Strength)和剛度(Stiffness)的特征,加強筋還起到對裝配中元器件定位的作用;對互相配合的部件起對齊的作用;對機構起止位和導向的作用。通過設計加強筋僅需要增加7%的材料,而通過增加壁厚卻需要增加25%的材料。

加強筋的設計涉及到厚度(Thickness),高度(Height),位置(Location),數量(Quantity),成型(Moldability),等五個方面。厚度很關鍵,太厚會引起對面的表面上有縮水(Sink)和外觀(Cosmetic)的問題。一般來說加強筋的厚度和手機殼體的厚度是有一定的關系的,即加強筋厚度=殼體厚度的%。

一般來說,加強筋的數量都是以偶數出現的,本文為了得出不同厚度的加強筋對手機殼體強度和剛度的影響,對手機殼體上加強筋的數量進行了簡化,只在碰撞區域加兩個加強筋來作分析。

2 、不同厚度的加強筋對手機殼體強度和剛度的影響

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 建立了手機殼體模型。由于MSC.Patran能與PRO/E無縫集成,它的前后處理功能強大,能識別CAD模型特征,自動進行網格劃分和局部網格過渡。這樣,就將手機殼體幾何模型轉化為供仿真分析的問題抽象模型(見圖 2)。

有限元網格劃分

離散單元采用4結點的四面體元進行網格劃分。由于加強筋厚度的不同,從而導致了手機殼體的節點數和單元數微有不同,結點數和單元數見表 1。

表 1 手機殼體和剛性墻模型的結點數和單元數

表 1 手機殼體和剛性墻模型的節點數和單元數
零件	節點數	單元數
手機殼體	(大約)5880	(大約)16880
剛性墻	76	59

模型分析

手機跌落到地面的過程,可以看成是其以一定的初始速度碰到剛性墻的過程,所以本文在有限元模型的下方設立一剛性墻,讓模型以一定的初始速度撞向剛性墻。這個初始速度為物體自由下落1.5m 時的速度。接觸采用了兩個面之間的任意接觸類型,為了定義接觸,必須先定義發生接觸的面(Surface)。相互接觸的兩個面,其地位是不相等的,一個被成為“主面”,另一個被稱謂“從屬面”。主接觸面的面段,其法線應當指向同一個方向,否則會有問題,故這里把剛性墻設置位“主面”,手機殼體設置為“從屬面”。最后生成MSC.DYTRAN計算所需要的*.dat輸入文件,并提交給DYTRAN進行計算。

手機殼體材料為PC/ABS,為塑料材料,為了簡化計算,將它看作一般的彈塑性材料,其參數為:屈服強度為80MPa,密度為1140kg/cm^3,彈性模量為2.50GPa,泊松比為0.3,手機殼體厚度為1.5mm,手機總體質量為80g。

由于本文主要考慮手機外殼在碰撞時不同厚度的加強筋對手機殼體強度和剛度的影響,所以對跌落仿真分析過程中出現的手機殼體失效問題不加以分析。國家標準規定跌落高度的優先選擇值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。

無加強筋和有不同厚度加強筋的手機殼體在經軟件分析計算后的最大應力及應變如表 2所示。由于篇幅所限下面只給出rib thickness=stX50%和stX75%的應力圖,如圖 3所示。

表 2 有不同厚度加強筋和無加強筋的手機殼體和最大應力、應變

殼體厚度(st):1.5mm 材料(mat):pc/abs 屈服應力(ys):80MPa
殼體有加強筋	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
殼體無加強筋	92.9	1.94E-02

仿真結果分析

從分析的結果可以得出手機殼體通過增加加強筋是可以提高其強度和剛度的,而對于具有不同厚度加強筋的手機殼體分析是從加強筋厚度=殼體厚度的40%開始的,到加強筋厚度=殼體厚度的85%結束,其中數據采樣間隔為5%,從分析結果來看,由于在跌落分析過程中手機殼體在Y軸方向上所受的應力最大值已經超出了材料的屈服應力,故殼體發生了塑性變形,伴隨著加強筋厚度的增加,手機殼體的強度有所增強,而塑性變形量有所下降,當加強筋厚度=殼體厚度的50%時,相對于加強筋厚度=殼體厚度的45%時,塑性應變值下降的最大,應變值的下降率為3.72%,而當加強筋厚度=殼體厚度的80%時,相對于加強筋厚度=殼體厚度的75%時,塑性應變值下降的最小,應變值的下降率僅為0.45%,同時考慮到模具加工的工藝性要求,建議對于手機殼體材料為PC/ABS,手機殼體壁厚<=1.5mm的時候,加強筋厚度設計通用參考:殼體厚度的50%<=加強筋厚度<=殼體厚度的75%。

3 結論

本文通過深入分析無加強筋和有不同厚度的加強筋對手機殼體強度和剛度的影響,得出利用CAE工具,對產品的自由跌落狀況進行仿真。通過對仿真結果的分析,能夠為產品的設計開發及改型提供一定的依據。使得在樣機制作出來之前即可預知設計是否存在缺陷,因此可及時修改設計,縮短開發時間,加速產品開發過程;同時也可以降低產品的成本,提高產品質量。本文的仿真分析雖然是針對手機的,但是所得出的結論也適合其他需要作跌落測試的電子產品。

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