搜索基于ANSYS/LS-DYNA的便攜式電子產(chǎn)品的跌落研究
2013-06-06 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
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,得到結構的瞬態(tài)動力響應,清晰的展示在不同時刻的應力、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)其設計出更好的抗跌落、沖擊產(chǎn)品,提前新產(chǎn)品的上市日期。
作者: 李學藝*劉鳳景*辛紀光 來源: e-works
關鍵字: CAE 跌落仿真 數(shù)碼相機 有限元分析
0 前 言
隨著電子技術特別是小型封裝和高密度組裝技術的迅速發(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的迅速發(fā)展,企業(yè)應用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力、應變各種參數(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)生的復雜非線性動態(tài)響應過程。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]為結構的質(zhì)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;{u}為位移向量;
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是相互獨立,故結構系統(tǒng)各節(jié)點在第n個時間步結束時刻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:
表1 材料性能參數(shù)表 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。 相關標簽搜索：基于ANSYS/LS-DYNA的便攜式電子產(chǎn)品的跌落研究 Fluent、CFX流體分析 HFSS電磁分析 Ansys培訓 Abaqus培訓 Autoform培訓 有限元培訓 Solidworks培訓 UG模具培訓 PROE培訓 運動仿真
其中,
由此得到的最大特征值即為2.1 建立模型
便攜式電子產(chǎn)品制作精巧,通常結構都比較復雜。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,將其導入到ANSYS。如果導入ANSYS 中的模型過于復雜,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導致無法求解。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,但是這種離散的結果是直接導致計算處理時間成幾何級數(shù)上升,因此應找到平衡點,使得離散結果接近真實化,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,設定厚度值。另外,設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)設置及求解
在進行跌落分析之前,必須對跌落測試相關的參數(shù)進行設置,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)。設定加速度與高度時應注意單位之間的協(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;同時可以設置結果文件的輸出格式,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,繪制各種計算結果云圖,如變形、應力應變云圖,還可以對結果數(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果進行如下簡單分析:
1)數(shù)碼相機前殼在出現(xiàn)最大應力時刻的最大等效應力等值線分布如圖4所示:
由材料的沖擊強度為97MPa,而仿真計算的結果,前殼在Y向跌落時,最大應力為75.08MPa,故前殼的抗沖擊強度足夠。
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 模型仿真結果與實際相符。
3 結論
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)展和技術的進步,人們對電子相關行業(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。通過分析仿真結果,工程師可以依據(jù)其設計出更好的抗跌落、沖擊產(chǎn)品,最終降低了成本,加快了新產(chǎn)品的上市速度。
