CAE仿真技術(shù)在電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用

0 引 言

接觸和碰撞是生產(chǎn)、生活中普遍存在的力學(xué)問題。例如汽車、飛機(jī)、火車、船舶等運(yùn)輸工具的碰撞，以及包裝體、通信設(shè)備、消費(fèi)性電子產(chǎn)品、醫(yī)療箱等產(chǎn)品的跌落，可以說接觸碰撞是無處不在、不可避免的。有關(guān)研究表明，在新產(chǎn)品研制過程中，約70%～80%的成本耗費(fèi)于設(shè)計(jì)階段，因?yàn)樵谶@個過程中，存在著因產(chǎn)品設(shè)計(jì)存在缺陷而導(dǎo)致產(chǎn)品重復(fù)修改、甚至重新設(shè)計(jì)，不僅耗費(fèi)時(shí)問精力，而且造成產(chǎn)品成本上升、不能按時(shí)投放市場。近些年來，由于計(jì)算機(jī)軟硬件和有限元理論的迅速發(fā)展，運(yùn)用CAE(計(jì)算機(jī)輔助工程)軟件對電工電子產(chǎn)品進(jìn)行可靠性仿真分析已經(jīng)成為一種流行的趨勢。在產(chǎn)品開發(fā)階段，利用計(jì)算機(jī)仿真方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)耐撞性的分析，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HyperMesh/Ls-Dyna有限元分析軟件對一款MP3整體模型實(shí)現(xiàn)了由PRO/E中導(dǎo)人，并按照真實(shí)MP3產(chǎn)品跌落的實(shí)際操作進(jìn)行跌落模擬仿真分析，迅速和準(zhǔn)確地得到了其應(yīng)力、應(yīng)變各種參數(shù)，進(jìn)而對其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用。

1 接觸和碰撞的有限元算法和自由跌落試驗(yàn)

1.1 接觸和碰撞的有限元算法

MP3跌落是MP3產(chǎn)品在極短的時(shí)間內(nèi)，在劇烈碰撞動態(tài)載荷作用下發(fā)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。因此，像這種瞬態(tài)沖擊動力學(xué)問題，一般都采用顯式直接積分求解算法，而直接積分法中的中心差分法最常用。

1.1.1 中心差分法的原理[1]

中心差分法中，加速度和速度可以用位移表示，即

時(shí)間ι+△t的位移解答at+Δt，可由時(shí)間t的運(yùn)動方程得到滿足，即由下式得到：

為此，中心差分法遞推公式可由式(1)～式(3)得到：

1.1.2中心差分法的算法步驟

(1)初始計(jì)算

a)形成剛度矩陣K、質(zhì)量矩陣M和阻尼矩陣C。

b)給定ao，△o和△o;

c)選擇時(shí)間步長△t;

d)計(jì)算a-Δt;

e)形成有效質(zhì)量矩陣M。

(2)對于每一時(shí)間步長進(jìn)行計(jì)算和求解

a)計(jì)算時(shí)間t的有效載荷：

b)求解時(shí)間t+△t的位移：

c)如果需要，根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算時(shí)間t的加速度和速度。

以上簡要介紹了中心差分法的原理和求解步驟。

因此，在整個時(shí)域范圍內(nèi)，可由上述積分遞推公式求得各個離散時(shí)間點(diǎn)處的位移、速度和加速度。顯式積分不需要進(jìn)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(jì)算速度快，其穩(wěn)定性準(zhǔn)則能自動控制計(jì)算時(shí)問步長的大小，保證時(shí)問積分的進(jìn)度。應(yīng)用顯示積分算法求解碰撞問題時(shí)，一個特別值得注意的問題就是時(shí)間步長不能超過臨界時(shí)間步長。對于本文的殼元，有[2]

式中：a為時(shí)步因子;Lmin為板殼元最小的單元邊長度;

為材料的聲速。

1.2 自由跌落試驗(yàn)[3]

試驗(yàn)?zāi)康氖谴_定產(chǎn)品在搬運(yùn)期間遭到跌落的適應(yīng)性，或確定安全要求用的最低牢固等級。對于MP3產(chǎn)品，其使用過程中發(fā)生跌落的可能性也很大。

試驗(yàn)條件如下：

a)試驗(yàn)表面：試驗(yàn)表面應(yīng)是混凝土或鋼制成的平滑、堅(jiān)硬的剛性表面。

b)跌落高度：對小型產(chǎn)品，跌落高度為1 000 mm。為保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，在仿真過程中確定的跌落高度為1 500 mm。

c)釋放方法：應(yīng)使試驗(yàn)樣品從懸掛著的位置自由跌落。

2 模型分析和有限元離散

有限元方法的基本思想是將結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元離散化[4]，用有限個容易分析的單元來表示復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)，各個單元之問通過有限元節(jié)點(diǎn)相互連接，根據(jù)有限元基本理論建立有限元總體平衡方程，然后求解。CAE有限元法求解工程問題的基本過程主要包括3個階段：要分析的結(jié)構(gòu)的有限元離散化、有限元方程的建立和求解以及計(jì)算結(jié)果的處理。但是影響模擬結(jié)果精度的主要在前兩個階段，而第2階段是由軟件來操作的，所以只有第1階段是由人工操作的，這也是影響求解精度的最重要的階段。

本文以南京夏浦公司的一款MP3為例，采用以下兩種方法進(jìn)行有限元離散：

a)簡化結(jié)構(gòu)：將尖角、細(xì)孔等細(xì)微結(jié)構(gòu)在造型設(shè)計(jì)軟件中消除，以其他結(jié)構(gòu)代替，要盡量避免簡化部分的結(jié)構(gòu)恰恰是分析所應(yīng)關(guān)注的部分，大部分情況下這種簡化是不允許的;

b)采用充分小的單元：為了使離散結(jié)果更接近于真實(shí)化，可采用充分小的單元，但是這種離散的結(jié)果是直接導(dǎo)致計(jì)算處理時(shí)間成幾何級數(shù)上升，因此應(yīng)找到平衡點(diǎn)，使得離散結(jié)果接近真實(shí)化，而又不浪費(fèi)資源。

2.1 仿真模型的建立

建立仿真分析的模型是仿真的前提條件。這里利用CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))建模軟件PRO/E建立了MP3整體模型。下面對MP3模型進(jìn)行簡單的結(jié)構(gòu)分析，如圖1所示。其結(jié)構(gòu)的幾何形狀比較復(fù)雜，主要由以下幾個部分組成：

a)透明鏡片(Lens)：曲面殼體結(jié)構(gòu)，起到保護(hù)LCD(液晶顯示器)的作用，其下部有4個直徑很小的定位銷;

b)前殼(Front)：曲面殼體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)與鏡片結(jié)合采用定位孔，與后殼結(jié)合采用導(dǎo)沿和圓柱定位，通過圓柱和加強(qiáng)筋把PCB(印制板)模組和LCD模組固定;

c)中殼(Middle)：曲面殼體結(jié)構(gòu)，通過卡扣和導(dǎo)引槽與前后殼體相連接;

d)后殼(Back)：曲面殼體結(jié)構(gòu)，其上也有圓柱和加強(qiáng)筋，通過卡扣和螺釘與前殼結(jié)合;

e)PCB模組和LCD模組;

f)其他部分：電池等附件。

2.2 有限元模型的離散

由于HyperMesh能與PRO/E無縫集成，它的前后處理功能強(qiáng)大，能識別CAD模型特征，自動進(jìn)行網(wǎng)格劃分和局部網(wǎng)格過渡。因此，本文采用HyperMesh來作為Ls-Dyna求解器的前處理器。為了真實(shí)地模擬MP3跌落過程中碰撞區(qū)域的情況，建立詳細(xì)和準(zhǔn)確的MP3有限元模型是必要的。本文主要考慮殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否滿足總體設(shè)計(jì)的要求，因此本文對MP3整體模型進(jìn)行了大量簡化，由于模型中前、后和中殼體的簡化會影響模擬的精度，故對前、后和中殼體進(jìn)行少量簡化，只是去除外部的倒圓角;而對殼體里面的PCB模組、LCD模組以及電池等附件進(jìn)行大量簡化，鏡片沒有進(jìn)行任何簡化

模型中，鏡片、前后和中殼體，以及用于螺釘連接的圓柱都采用四節(jié)點(diǎn)的殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，PCB模組、LCD模組以及電池等附件采用六面體網(wǎng)格劃分。

MP3殼體材料為PC/ABS，為塑料，為了簡化計(jì)算，將它看做一般的彈塑性材料。

2.3 模型分析

MP3跌落到地面的過程可以看成是其以一定的初始速度碰到剛性墻的過程，所以本文在有限元模型的下方設(shè)立一剛性墻，讓模型以一定的初始速度撞向剛性墻。這個初始速度為物體自由下落1.5 m時(shí)的速度。接觸類型采用了單向接觸(One-way contact)中的* Contact_Automatic_Nodes_To_Surface[2]，在接觸分析中，由于問題的復(fù)雜性，判斷接觸發(fā)生的方向有時(shí)是很困難的，因此分析中應(yīng)盡量使用自動接觸(不需要人工干預(yù)接觸方向)。相互接觸的兩個面，其地位是不相等的，一個被成為"主"，另一個被稱謂"從"。這里把剛性墻設(shè)置為"主"，手機(jī)簡化模型設(shè)置為"從"。最后生成LS-DYNA計(jì)算所需要的*.K輸入文件，并提交給DYNA進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定跌落高度的優(yōu)先選擇值25 mm、100 mm、500 mm、1 000 mm等，本文出于設(shè)計(jì)安全裕度的考慮選取跌落高度為1 500 mm，與地面剛性撞擊。

2.4 仿真結(jié)果分析

從分析的結(jié)果可以得出，MP3在6個方向上跌落分析外殼體所受的最大應(yīng)力都在屈服極限之內(nèi)，而且應(yīng)力仍有較大富裕，仍有減薄余地，在跌落過程中和剛性墻碰撞的瞬問最大應(yīng)力一般都發(fā)生在定位銷或卡扣處，這就要求設(shè)計(jì)時(shí)對這些區(qū)域應(yīng)重點(diǎn)考慮。值得注意的是X軸正方向和X軸負(fù)方向，以及Y軸正方向和Y軸負(fù)方向的應(yīng)力差別很大，這是由于模型總體設(shè)計(jì)的不對稱所造成的。因此，在模型總體設(shè)計(jì)的布局中，質(zhì)量分布應(yīng)盡量均勻而且沿中心軸對成。Z軸正方向和Z軸負(fù)方向上碰撞瞬間殼體所受的最大應(yīng)力差別也很大，這是由于模型的表面形狀的不同而導(dǎo)致的，當(dāng)然局部設(shè)計(jì)的不對稱也是一個重要原因，這也要求產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)各個配合的零部件之間應(yīng)盡量保證圓滑過渡，從而不會造成應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3 結(jié)束語

過運(yùn)用CAE工具，對產(chǎn)品的自由跌落試驗(yàn)狀況進(jìn)行仿真。從動力學(xué)角度考慮產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)，不僅能夠?yàn)楫a(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)及改型提供一定的依據(jù)，而且能夠模擬得到一些實(shí)際中不可能完成的數(shù)據(jù)采集工作。通過仿真分析可達(dá)到以下目的：事先預(yù)測，在產(chǎn)品開發(fā)初始就可導(dǎo)入，能夠?yàn)楫a(chǎn)品沒計(jì)人員分析產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否存在缺陷，可縮短開發(fā)流程，提高產(chǎn)品質(zhì)量;費(fèi)用低，試驗(yàn)時(shí)間短;通過采取一定的手段以及分析人員在產(chǎn)品分析方而深厚的經(jīng)歷，模擬數(shù)據(jù)精度與實(shí)際實(shí)物試驗(yàn)數(shù)據(jù)非常接近。因此，采用CAE技術(shù)對MP3產(chǎn)品自由跌落試驗(yàn)仿真能有效地發(fā)現(xiàn)和改進(jìn)設(shè)計(jì)缺陷，起到對產(chǎn)品設(shè)計(jì)指導(dǎo)作用，從而為企業(yè)創(chuàng)造效益。