基于ANSYS/LS-DYNA的便攜式電子產(chǎn)品的跌落研究

2013-05-08  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

作者: 李學(xué)藝*劉鳳景*辛紀光    來源: e-works
關(guān)鍵字: CAE 跌落仿真 數(shù)碼相機 有限元分析 

為降低開發(fā)成本,更好的檢驗電子產(chǎn)品抗跌落沖擊性能,本文以數(shù)碼相機為例,利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對其外殼跌落過程進行仿真,得到結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)動力響應(yīng),清晰的展示在不同時刻的應(yīng)力、變形情況。此方法可以取代傳統(tǒng)的跌落沖擊試驗,同時工程師也可以依據(jù)其設(shè)計出更好的抗跌落、沖擊產(chǎn)品,提前新產(chǎn)品的上市日期。

0  前  言
隨著電子技術(shù)特別是小型封裝和高密度組裝技術(shù)的迅速發(fā)展,便攜式電子產(chǎn)品得到了極大的普及。消費者在使用或攜帶過程中將產(chǎn)品失手跌落至地面或不慎撞擊到堅硬物體上的意外時有發(fā)生。跌落或撞擊產(chǎn)生的機械沖擊可能引起產(chǎn)品嚴重的機械或功能損壞。而電子產(chǎn)品往往價格不菲,故給消費者帶來極大的損失。因此,在滿足基本功能的前提下,消費者更加青睞有良好抗沖擊性能的產(chǎn)品。生產(chǎn)廠家在電子產(chǎn)品開發(fā)階段一般采用跌落試驗機對其抗沖擊性能進行測試,但這種實驗花費時間較長且耗資較大。近年來,由于計算機硬件和非線性有限元軟件技術(shù)的迅速發(fā)展,企業(yè)應(yīng)用CAE軟件特別是ANSYS在開發(fā)階段對電子產(chǎn)品進行跌落仿真分析已成為一種流行的趨勢,不僅可以有效地提高產(chǎn)品的可靠性,而且能降低開發(fā)成本,提高產(chǎn)品的市場競爭能力。
本文利用ANSYS/LS-DYNA中的DTM模塊對一數(shù)碼相機的外殼進行了跌落仿真研究,可以迅速準確地得到其應(yīng)力、應(yīng)變各種參數(shù),進而可對其安全性進行分析。

1.跌落分析動力學(xué)分析理論
電子產(chǎn)品跌落是指電子產(chǎn)品在極短的時間內(nèi),受到碰撞動態(tài)載荷作用而產(chǎn)生的復(fù)雜非線性動態(tài)響應(yīng)過程。系統(tǒng)除了具有幾何非線性和材料非線性以外,還有接觸界面的非線性,這是接觸問題所特有的。因此,對電子產(chǎn)品跌落碰撞的過程進行仿真,得到碰撞瞬間的應(yīng)力歷程數(shù)值,一般都采用顯式積分的求解算法。在總體坐標系下,建立的碰撞運動方程可以表示為:

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;{u}為位移向量;Fext為包括碰撞力在內(nèi)的外力向量。令,

則碰撞方程可以寫為:

若采用集中質(zhì)量,質(zhì)量矩陣[M]為對角矩陣,則各個自由度的方程應(yīng)是相互獨立,故結(jié)構(gòu)系統(tǒng)各節(jié)點在第n個時間步結(jié)束時刻tn的加速度向量為:              

      
然后對時間積分求得速度,再積分一次就會獲得位移,這里采用中心差分的顯式格式來進行時間積分。節(jié)點速度和位移通過下面兩式計算:

時間步和時間點的定義為:

在整個時域范圍內(nèi),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(lián)立方程組,也不存在收斂性問題,因此計算速度快,其穩(wěn)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(yīng)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。保證收斂的臨界時步需滿足如下公式:     

        
其中,ωn為系統(tǒng)的最高階固有振動頻率,系統(tǒng)中最小單元的特征值方程:  

由此得到的最大特征值即為ωn。
ANSYS/LS-DYNA是一個以顯式為主,隱式為輔的非線性動力有限元仿真分析求解器。為保證收斂,采用變步長顯式積分法,每一時刻的積分步長由當(dāng)前構(gòu)型網(wǎng)格中的最小單元決定。特別是在ANSYS/LS-DYNA中包含專用模塊DTM (Drop Test Module), 是做跌落碰撞仿真的最佳選擇。

2  基于LS-DYNA的跌落仿真研究
2.1  建立模型
便攜式電子產(chǎn)品制作精巧,通常結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜。ANSYS軟件雖建模能力比較強大,但是對于建立精確的電子產(chǎn)品模型來說相對比較困難。因此,我們在建立模型時通常選擇三維造型功能比較強大的軟件,如PROE、UG等。然后利用ANSYS與這些三維軟件的無縫集成功能,將其導(dǎo)入到ANSYS。如果導(dǎo)入ANSYS 中的模型過于復(fù)雜,進行合適的有限元網(wǎng)格劃分相對比較困難,即使劃分好了網(wǎng)格,也可能由于劃分不當(dāng)導(dǎo)致無法求解。因此,在進行碰撞仿真之前,有必要對其幾何模型進行合適的簡化,以便提高運算質(zhì)量。由于CAE和CAD存在本質(zhì)區(qū)別,很多加工工藝上需要的過渡圓角、小孔以及尖銳的曲面過渡都會增加有限元建模的難度,影響單元質(zhì)量,對于用于碰撞計算的顯式有限元模型,這個問題尤其突出。所以在進行劃分網(wǎng)格之前要對原幾何模型進行修模,除去過渡圓角、小孔以及使相連的曲面盡量化零為整等。                           
在對數(shù)碼相機的外殼建模的過程中,綜合考慮各種因素,最終導(dǎo)入到ANSYS/LS-DYNA中的模型的前外殼如圖1所示:

2.2  有限元網(wǎng)格劃分
在有限元分析中,模型中網(wǎng)格劃分越細致,單元階次越高,計算結(jié)果越精確,但是要耗費大量的CPU時間。因此,選擇什么樣的單元以及如何劃分網(wǎng)格,是有限元建模中一個極其重要的問題。因ANSYS LS-DYNA 程序中包含的顯示動力單元類型較少,且均是線性單元,具有一個線性位移函數(shù),卻支持所有的非線性選項,能夠很好的用于大變形和材料失效的問題,所以在選擇單元類型時相對簡單。每種單元具有較多的算法,重點是選擇哪種算法以使求解的結(jié)果更接近真實。
對于數(shù)碼相機的殼體來說,通常殼壁較薄,為了使離散結(jié)果更接近于真實化,可采用充分小實體SOLID164單元,但是這種離散的結(jié)果是直接導(dǎo)致計算處理時間成幾何級數(shù)上升,因此應(yīng)找到平衡點,使得離散結(jié)果接近真實化,而又不浪費資源。在對外殼的處理過程中,可用曲面代替殼體,采用SHELL163殼單元,設(shè)定厚度值。另外,設(shè)定總體單元尺寸的大小來控制網(wǎng)格密度,以便生成較為均勻的網(wǎng)格,劃分時采用四邊形單元進行映射網(wǎng)格劃分。定義殼單元厚度T1為1mm,剪切因數(shù)SHRF為5/6,定義積分點數(shù)NIP為3。離散后前殼模型共有1476單元,1664節(jié)點(如圖2所示)。所用到的材料性能參數(shù)如表1。

2.3  跌落參數(shù)設(shè)置及求解
在進行跌落分析之前,必須對跌落測試相關(guān)的參數(shù)進行設(shè)置,包括重力加速度、跌落高度及參考點、測試物體的方位、計算時間以及輸出文件步數(shù)。設(shè)定加速度與高度時應(yīng)注意單位之間的協(xié)調(diào),而且物體以何種角度進行跌落也是分析中需要設(shè)置的一個重要參數(shù),要依照具體情況而定。為縮短計算時間,可以設(shè)置物體跌落至某一高度的初速度。另外,可以通過修改目標面的特性,使模型與不同的目標面發(fā)生跌落碰撞,使某一產(chǎn)品的跌落仿真更全面。
根據(jù)國家標準規(guī)定跌落高度的優(yōu)先選擇值25 mm、100 mm、500 mm、1 000 mm等。出于安全性的考慮,選取跌落高度為1 000 mm,且均為自由落體,與地面剛性墻撞擊。跌落方案為:前殼為豎直Y方向跌落,無傾斜角,跌落模型如圖3所示。

    有限元建模完成以后,可以輸出關(guān)鍵字K文件,必要時對其進行修改和完善,后遞交DYNA970求解器進行求解;同時可以設(shè)置結(jié)果文件的輸出格式,便于進行多種形式的后處理。同時,顯示算法計算時間一般較長,但占用的內(nèi)存較小,可以選擇SW系列開關(guān)對求解過程進行監(jiān)控,遇到問題時需要重新啟動求解程序以獲得滿意解。
2.4  仿真結(jié)果分析
LSTC公司專門開發(fā)的后處理功能非常強大,能夠進行更加全面的結(jié)果數(shù)據(jù)分析?？梢砸詣赢嫷男问接^察整個跌落過程,繪制各種計算結(jié)果云圖,如變形、應(yīng)力應(yīng)變云圖,還可以對結(jié)果數(shù)據(jù)計算和分析。在LS-PREPOST中對數(shù)碼相機外殼跌落仿真結(jié)果進行如下簡單分析:
    1)數(shù)碼相機前殼在出現(xiàn)最大應(yīng)力時刻的最大等效應(yīng)力等值線分布如圖4所示:

    由材料的沖擊強度為97MPa,而仿真計算的結(jié)果,前殼在Y向跌落時,最大應(yīng)力為75.08MPa,故前殼的抗沖擊強度足夠。
2)另外,取前殼模型上的一個節(jié)點node256繪制其各個方向的位移、速度、加速度以及各種變形結(jié)果曲線圖,觀察其每一個子步各種參數(shù)的變化情況。如圖5、6分別為節(jié)點 node256的沿Y方向上的位移、速度、加速度曲線變化圖。圖8為前殼模型在跌落撞擊過程中總的能量變化曲線。

    通過觀察上述曲線可知,它們符合最基本的自由跌落過程各參數(shù)的變化規(guī)律,因此 模型仿真結(jié)果與實際相符。
3  結(jié)論
    電子行業(yè)是一個飛速發(fā)展的行業(yè),市場容量極其巨大,便攜式電子產(chǎn)品已經(jīng)滲透到我們生活的各個角落。隨著社會的發(fā)展和技術(shù)的進步,人們對電子相關(guān)行業(yè)提出了更高的要求:精確、穩(wěn)定、輕巧、保密、可靠;同時,電子產(chǎn)品行業(yè)又具有產(chǎn)品更新快,研發(fā)周期短的特點。采用跌落仿真技術(shù)對其在使用過程中可能碰到的跌落碰撞情況進行研究,以量化的形式展示了產(chǎn)品受沖擊情況。通過分析仿真結(jié)果,工程師可以依據(jù)其設(shè)計出更好的抗跌落、沖擊產(chǎn)品,最終降低了成本,加快了新產(chǎn)品的上市速度。

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