利用HyperMesh/Ls-Dyna做手機(jī)跌落模擬仿真分析

1.1 HyperMesh/Ls-Dyna軟件簡要介紹

當(dāng)有限元方法應(yīng)用于實際問題的分析時,方便、快捷地得到可靠的結(jié)果,無疑是共同的目標(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)姆治龇桨负陀嬎惴椒ǖ倪x擇,以及對計算結(jié)果的正確解釋和處理三個方面,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因素有關(guān),第一個因素是有限元模型建立的精度,第二個因素是有限元仿真軟件的核心計算算法。仿真的效率也與兩個因素有關(guān),第一個因素是有限元模型網(wǎng)格精度的控制,第二個因素是仿真過程中適當(dāng)?shù)那蠼饪刂啤Ｒ虼?下面將簡要介紹一下本文項目進(jìn)行模擬仿真求解時所選擇模擬仿真軟件的一些特點。

由于有限元技術(shù)的特點,使得有限元軟件的前后處理軟件成為一個相對獨立而又十分重要的部分。目前,在國際上被認(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是一個針對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)計人員可以在一個極佳的交互式可視環(huán)境下對多種設(shè)計條件進(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。下面簡要介紹一下HyperMesh軟件本身的強(qiáng)勢。

LS-DYNA軟件是功能齊全的幾何非線性(大位移、大轉(zhuǎn)動和大應(yīng)變)、材料非線性(140多種材料動態(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;以非線性動力分析為主,兼有靜力分析功能(如動力分析前的預(yù)應(yīng)力計算和薄板沖壓成型后的回彈計算);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,無論是從單元庫和材料模型上,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)于兩個軟件的陳述,可以說本文選擇的兩個聯(lián)合求解軟件可謂是強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合,因為它們在各自的應(yīng)用領(lǐng)域都是非常著名的并得到了許許多多國際化大公司的認(rèn)可,這樣的選擇不僅能夠提高計算精度,而且也減少了計算成本,達(dá)到資源優(yōu)化的目的。

1.2進(jìn)行跌落模擬仿真分析的原因

 “3C”產(chǎn)品(電視、手機(jī)、掃描儀、空調(diào)、計算機(jī)、電動工具等)在運輸、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)人員往往耗費大量的時間與成本針對產(chǎn)品做相關(guān)的品質(zhì)驗證,最常見的結(jié)構(gòu)試驗就是跌落和沖擊試驗,在工業(yè)發(fā)達(dá)國家,電子家電等產(chǎn)品傳統(tǒng)的跌落試驗越來越多地有計算機(jī)仿真來完成,這不僅顯著地降低了產(chǎn)品開發(fā)費用和縮短了產(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)品的競爭力。

傳統(tǒng)的跌落試驗有以下局限性:

Ø         必須要有原型機(jī)才能進(jìn)行實驗

Ø         很難控制跌落沖擊的邊界條件

Ø         檢測裝置固定方式的影響

Ø         只能獲得有限數(shù)據(jù)信息

Ø         很難檢測到產(chǎn)品內(nèi)部的沖擊特性

Ø         很難觀測到整個跌落沖擊過程

而計算機(jī)模擬仿真通過建立產(chǎn)品的一個有限元模型,就可在計算機(jī)中很方便地進(jìn)行各個方向的跌落分析,能在產(chǎn)品設(shè)計樣機(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)測失效,指導(dǎo)設(shè)計優(yōu)化和驗證。

1.3跌落實驗和仿真所關(guān)心的設(shè)計問題

1.結(jié)構(gòu)的沖擊強(qiáng)度

設(shè)計的結(jié)構(gòu)是否滿足沖擊強(qiáng)度設(shè)計要求,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)計后的效果

根據(jù)上一次的跌落分析,對不滿足沖擊強(qiáng)度要求的設(shè)計進(jìn)行修改,模擬驗證修正設(shè)計后是否達(dá)到強(qiáng)度設(shè)計的要求。

3.關(guān)鍵部件的性能

對于關(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

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

5.導(dǎo)致失效的真實原因

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

6.跌落過程的展現(xiàn)

完整展現(xiàn)整個跌落過程,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,會對手機(jī)殼體結(jié)構(gòu)在設(shè)計上是否滿足電子產(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)行模擬驗證,如不符合怎樣進(jìn)行修改再驗證等等分析過程,最終還會展現(xiàn)完整跌落過程。

1.4跌落仿真分析在設(shè)計流程中的應(yīng)用

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

1.概念設(shè)計階段

在概念設(shè)計階段可以針對概念設(shè)計進(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)計階段

一般說來,對于任何產(chǎn)品,有限元分析運用在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段是最多的,這個階段分析的結(jié)果數(shù)據(jù)不僅可以指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計,在樣機(jī)出來之前就可以消除一些設(shè)計缺陷,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。

3.產(chǎn)品實驗階段

在樣機(jī)出來后,可以結(jié)合樣機(jī)實驗,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。