基于ANSYS/LS-DYNA的便携式电子产品的跌落研究

2013-05-08  by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM  来源:仿真在线

作者: 李学艺*刘凤景*辛纪光    来源: e-works
关键字: CAE 跌落仿真 数码相机 有限元分析 

为降低开发成本,更好的检验电子产品抗跌落冲击性能,本文以数码相机为例,利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对其外壳跌落过程进行仿真,得到结构的瞬态动力响应,清晰的展示在不同时刻的应力、变形情况。此方法可以取代传统的跌落冲击试验,同时工程师也可以依据其设计出更好的抗跌落、冲击产品,提前新产品的上市日期。

0  前  言
随着电子技术特别是小型封装和高密度组装技术的迅速发展,便携式电子产品得到了极大的普及。消费者在使用或携带过程中将产品失手跌落至地面或不慎撞击到坚硬物体上的意外时有发生。跌落或撞击产生的机械冲击可能引起产品严重的机械或功能损坏。而电子产品往往价格不菲,故给消费者带来极大的损失。因此,在满足基本功能的前提下,消费者更加青睐有良好抗冲击性能的产品。生产厂家在电子产品开发阶段一般采用跌落试验机对其抗冲击性能进行测试,但这种实验花费时间较长且耗资较大。近年来,由于计算机硬件和非线性有限元软件技术的迅速发展,企业应用CAE软件特别是ANSYS在开发阶段对电子产品进行跌落仿真分析已成为一种流行的趋势,不仅可以有效地提高产品的可靠性,而且能降低开发成本,提高产品的市场竞争能力。
本文利用ANSYS/LS-DYNA中的DTM模块对一数码相机的外壳进行了跌落仿真研究,可以迅速准确地得到其应力、应变各种参数,进而可对其安全性进行分析。

1.跌落分析动力学分析理论
电子产品跌落是指电子产品在极短的时间内,受到碰撞动态载荷作用而产生的复杂非线性动态响应过程。系统除了具有几何非线性和材料非线性以外,还有接触界面的非线性,这是接触问题所特有的。因此,对电子产品跌落碰撞的过程进行仿真,得到碰撞瞬间的应力历程数值,一般都采用显式积分的求解算法。在总体坐标系下,建立的碰撞运动方程可以表示为:

式中:[M]为结构的质量矩阵;[C]为结构的阻尼矩阵;[K]为结构的刚度矩阵;{a}为加速度向量;{v}为速度向量;{u}为位移向量;Fext为包括碰撞力在内的外力向量。令,

则碰撞方程可以写为:

若采用集中质量,质量矩阵[M]为对角矩阵,则各个自由度的方程应是相互独立,故结构系统各节点在第n个时间步结束时刻tn的加速度向量为:              

      
然后对时间积分求得速度,再积分一次就会获得位移,这里采用中心差分的显式格式来进行时间积分。节点速度和位移通过下面两式计算:

时间步和时间点的定义为:

在整个时域范围内,可由上述积分递推公式求得各个离散时间点处的位移、速度和加速度。显式积分不需要进行矩阵分解或求逆,无需求解联立方程组,也不存在收敛性问题,因此计算速度快,其稳定性准则能自动控制计算时间步长的大小,保证时间积分的进度。应用显示积分算法求解碰撞问题时,一个特别值得注意的问题就是时间步长不能超过临界时间步长。保证收敛的临界时步需满足如下公式:     

        
其中,ωn为系统的最高阶固有振动频率,系统中最小单元的特征值方程:  

由此得到的最大特征值即为ωn。
ANSYS/LS-DYNA是一个以显式为主,隐式为辅的非线性动力有限元仿真分析求解器。为保证收敛,采用变步长显式积分法,每一时刻的积分步长由当前构型网格中的最小单元决定。特别是在ANSYS/LS-DYNA中包含专用模块DTM (Drop Test Module), 是做跌落碰撞仿真的最佳选择。

2  基于LS-DYNA的跌落仿真研究
2.1  建立模型
便携式电子产品制作精巧,通常结构都比较复杂。ANSYS软件虽建模能力比较强大,但是对于建立精确的电子产品模型来说相对比较困难。因此,我们在建立模型时通常选择三维造型功能比较强大的软件,如PROE、UG等。然后利用ANSYS与这些三维软件的无缝集成功能,将其导入到ANSYS。如果导入ANSYS 中的模型过于复杂,进行合适的有限元网格划分相对比较困难,即使划分好了网格,也可能由于划分不当导致无法求解。因此,在进行碰撞仿真之前,有必要对其几何模型进行合适的简化,以便提高运算质量。由于CAE和CAD存在本质区别,很多加工工艺上需要的过渡圆角、小孔以及尖锐的曲面过渡都会增加有限元建模的难度,影响单元质量,对于用于碰撞计算的显式有限元模型,这个问题尤其突出。所以在进行划分网格之前要对原几何模型进行修模,除去过渡圆角、小孔以及使相连的曲面尽量化零为整等。                           
在对数码相机的外壳建模的过程中,综合考虑各种因素,最终导入到ANSYS/LS-DYNA中的模型的前外壳如图1所示:

2.2  有限元网格划分
在有限元分析中,模型中网格划分越细致,单元阶次越高,计算结果越精确,但是要耗费大量的CPU时间。因此,选择什么样的单元以及如何划分网格,是有限元建模中一个极其重要的问题。因ANSYS LS-DYNA 程序中包含的显示动力单元类型较少,且均是线性单元,具有一个线性位移函数,却支持所有的非线性选项,能够很好的用于大变形和材料失效的问题,所以在选择单元类型时相对简单。每种单元具有较多的算法,重点是选择哪种算法以使求解的结果更接近真实。
对于数码相机的壳体来说,通常壳壁较薄,为了使离散结果更接近于真实化,可采用充分小实体SOLID164单元,但是这种离散的结果是直接导致计算处理时间成几何级数上升,因此应找到平衡点,使得离散结果接近真实化,而又不浪费资源。在对外壳的处理过程中,可用曲面代替壳体,采用SHELL163壳单元,设定厚度值。另外,设定总体单元尺寸的大小来控制网格密度,以便生成较为均匀的网格,划分时采用四边形单元进行映射网格划分。定义壳单元厚度T1为1mm,剪切因数SHRF为5/6,定义积分点数NIP为3。离散后前壳模型共有1476单元,1664节点(如图2所示)。所用到的材料性能参数如表1。

2.3  跌落参数设置及求解
在进行跌落分析之前,必须对跌落测试相关的参数进行设置,包括重力加速度、跌落高度及参考点、测试物体的方位、计算时间以及输出文件步数。设定加速度与高度时应注意单位之间的协调,而且物体以何种角度进行跌落也是分析中需要设置的一个重要参数,要依照具体情况而定。为缩短计算时间,可以设置物体跌落至某一高度的初速度。另外,可以通过修改目标面的特性,使模型与不同的目标面发生跌落碰撞,使某一产品的跌落仿真更全面。
根据国家标准规定跌落高度的优先选择值25 mm、100 mm、500 mm、1 000 mm等。出于安全性的考虑,选取跌落高度为1 000 mm,且均为自由落体,与地面刚性墙撞击。跌落方案为:前壳为竖直Y方向跌落,无倾斜角,跌落模型如图3所示。

    有限元建模完成以后,可以输出关键字K文件,必要时对其进行修改和完善,后递交DYNA970求解器进行求解;同时可以设置结果文件的输出格式,便于进行多种形式的后处理。同时,显示算法计算时间一般较长,但占用的内存较小,可以选择SW系列开关对求解过程进行监控,遇到问题时需要重新启动求解程序以获得满意解。
2.4  仿真结果分析
LSTC公司专门开发的后处理功能非常强大,能够进行更加全面的结果数据分析。可以以动画的形式观察整个跌落过程,绘制各种计算结果云图,如变形、应力应变云图,还可以对结果数据计算和分析。在LS-PREPOST中对数码相机外壳跌落仿真结果进行如下简单分析:
    1)数码相机前壳在出现最大应力时刻的最大等效应力等值线分布如图4所示:

    由材料的冲击强度为97MPa,而仿真计算的结果,前壳在Y向跌落时,最大应力为75.08MPa,故前壳的抗冲击强度足够。
2)另外,取前壳模型上的一个节点node256绘制其各个方向的位移、速度、加速度以及各种变形结果曲线图,观察其每一个子步各种参数的变化情况。如图5、6分别为节点 node256的沿Y方向上的位移、速度、加速度曲线变化图。图8为前壳模型在跌落撞击过程中总的能量变化曲线。

    通过观察上述曲线可知,它们符合最基本的自由跌落过程各参数的变化规律,因此 模型仿真结果与实际相符。
3  结论
    电子行业是一个飞速发展的行业,市场容量极其巨大,便携式电子产品已经渗透到我们生活的各个角落。随着社会的发展和技术的进步,人们对电子相关行业提出了更高的要求:精确、稳定、轻巧、保密、可靠;同时,电子产品行业又具有产品更新快,研发周期短的特点。采用跌落仿真技术对其在使用过程中可能碰到的跌落碰撞情况进行研究,以量化的形式展示了产品受冲击情况。通过分析仿真结果,工程师可以依据其设计出更好的抗跌落、冲击产品,最终降低了成本,加快了新产品的上市速度。

相关标签搜索：基于ANSYS/LS-DYNA的便携式电子产品的跌落研究 Ansys有限元培训 Ansys workbench培训 ansys视频教程 ansys workbench教程 ansys APDL经典教程 ansys资料下载 ansys技术咨询 ansys基础知识 ansys代做 Fluent、CFX流体分析 HFSS电磁分析 Abaqus培训