利用HyperMesh/Ls-Dyna做手机跌落模拟仿真分析

1.1 HyperMesh/Ls-Dyna软件简要介绍

当有限元方法应用于实际问题的分析时,方便、快捷地得到可靠的结果,无疑是共同的目标。因此分析过程的有效性和结果的可靠性成为有限元方法的两大核心问题,其中涉及合理的有限元模型的建立,恰当的分析方案和计算方法的选择,以及对计算结果的正确解释和处理三个方面,这些在本文后面的内容中都有详述。由于基于有限元的手机跌落模拟仿真分析是手机耐撞设计与改进的重要方法和手段,因此,如何保证仿真的精度和正确性以及提高仿真效率对于其工程应用至关重要。一般说,仿真的精度与正确性与两个因素有关,第一个因素是有限元模型建立的精度,第二个因素是有限元仿真软件的核心计算算法。仿真的效率也与两个因素有关,第一个因素是有限元模型网格精度的控制,第二个因素是仿真过程中适当的求解控制。因此,下面将简要介绍一下本文项目进行模拟仿真求解时所选择模拟仿真软件的一些特点。

由于有限元技术的特点,使得有限元软件的前后处理软件成为一个相对独立而又十分重要的部分。目前,在国际上被认可的前后处理软件包括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等软件。在一般情况下,相关的前后处理软件都与比较通用的CAD软件具有良好的接口,同时也可与众多的有限元求解软件相结合,以便于用户更快、更方便地解决一些问题。

HyperMesh是一款高效率的有限元前后处理软件,能够建立各种复杂模型的有限元和有限差分模型,与多种CAD和CAE软件有良好的接口并具有高效的网格划分功能。HyperMesh是一个针对有限元主流求解器的高性能有限元前后处理软件,工程设计人员可以在一个极佳的交互式可视环境下对多种设计条件进行分析。HyperMesh的图形用户界面易于学习。其先进的后处理工具可以方便地显示复杂地模拟结果,并使之易于理解。下面简要介绍一下HyperMesh软件本身的强势。

LS-DYNA软件是功能齐全的几何非线性(大位移、大转动和大应变)、材料非线性(140多种材料动态模型)和接触非线性(50多种)程序[8]。它以Lagrange算法为主,兼有ALE和Euler算法;以显式求解为主,兼有隐式求解功能;以结构分析为主,兼有热分析、流固耦合功能;以非线性动力分析为主,兼有静力分析功能(如动力分析前的预应力计算和薄板冲压成型后的回弹计算);是军用和民用相结合的通用结构分析非线性有限元程序。

由于软件本身发展的历史原因,无论是从单元库和材料模型上,还是从接触类型和算法上,其都非常适合求解电子产品所涉及到的模拟仿真问题。

通过上面关于两个软件的陈述,可以说本文选择的两个联合求解软件可谓是强强联合,因为它们在各自的应用领域都是非常著名的并得到了许许多多国际化大公司的认可,这样的选择不仅能够提高计算精度,而且也减少了计算成本,达到资源优化的目的。

1.2进行跌落模拟仿真分析的原因

 “3C”产品(电视、手机、扫描仪、空调、计算机、电动工具等)在运输、装卸及使用过程中结构可能发生破坏。有接近80%的电子机构产品损坏来自于高速撞击,研发人员往往耗费大量的时间与成本针对产品做相关的品质验证,最常见的结构试验就是跌落和冲击试验,在工业发达国家,电子家电等产品传统的跌落试验越来越多地有计算机仿真来完成,这不仅显著地降低了产品开发费用和缩短了产品的开发周期,而且极大提高了企业研发能力和产品的竞争力。

传统的跌落试验有以下局限性:

Ø         必须要有原型机才能进行实验

Ø         很难控制跌落冲击的边界条件

Ø         检测装置固定方式的影响

Ø         只能获得有限数据信息

Ø         很难检测到产品内部的冲击特性

Ø         很难观测到整个跌落冲击过程

而计算机模拟仿真通过建立产品的一个有限元模型,就可在计算机中很方便地进行各个方向的跌落分析,能在产品设计样机出来之前就得到结构的响应行为,检查产品的力学性能,预测失效,指导设计优化和验证。

1.3跌落实验和仿真所关心的设计问题

1.结构的冲击强度

设计的结构是否满足冲击强度设计要求,如LCD模组破裂、壳体开裂、电池盖脱落、各种联结失效等。

2.修正设计后的效果

根据上一次的跌落分析,对不满足冲击强度要求的设计进行修改,模拟验证修正设计后是否达到强度设计的要求。

3.关键部件的性能

对于关键的部件,它的使用功能在冲击力的作用下是否失效,例如部件所受到的应力是否超出部件材料的屈服极限。

4.包装材料是否能满足性能要求

对于包装吸能材料的设计是否达到了设计的要求,例如是否能够保证产品在运输过程中的冲击和跌落不会损伤包装里面的产品。

5.导致失效的真实原因

有时进行了各种改进的设计,但是还是不能满足设计要求,这时通过仿真分析和过程的显示可以发现产品失效的真实原因。

6.跌落过程的展现

完整展现整个跌落过程,显示接触和碰撞的机理。

在本文手机产品的跌落模拟仿真分析中,会对手机壳体结构在设计上是否满足电子产品的强度冲击要求进行确认,对关键部件的性能是否达到了强度冲击要求进行模拟验证,如不符合怎样进行修改再验证等等分析过程,最终还会展现完整跌落过程。

1.4跌落仿真分析在设计流程中的应用

跌落仿真分析可以完全融入到一个产品开发的整个流程,总体来说可以分为三个阶段。

1.概念设计阶段

在概念设计阶段可以针对概念设计进行仿真分析,从而在产品早期阶段发现问题,消除隐患。

2.结构设计阶段

一般说来,对于任何产品,有限元分析运用在结构设计阶段是最多的,这个阶段分析的结果数据不仅可以指导产品设计,在样机出来之前就可以消除一些设计缺陷,而且加快产品研发的进度,使产品能够更快更好的投放市场。

3.产品实验阶段

在样机出来后,可以结合样机实验,进行冲击强度校核,发现问题和解决问题,进行产品改进方案设计。