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2013-06-26 by:廣州ABAQUS培訓(xùn)中心 來源:有限元分析培訓(xùn)中心
ABAQUS有限元軟件對無線鼠標(biāo)掉落測試的模擬
由于其尺寸小重量輕的特點,便攜式、手提式的電子產(chǎn)品越來越被普遍應(yīng)用。這些產(chǎn)品有時不可避免地經(jīng)受跌落帶來的撞擊載荷。在設(shè)計過程中,如果從理論和試驗上都可以對這個加載情況加以說明解釋,就能發(fā)展更加耐用的產(chǎn)品。能夠模擬落地載荷情況下的可靠性,可以減小對試驗測試的依賴性。Abaqus/Explicit 已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于檢驗電子產(chǎn)品經(jīng)受機械撞擊載荷的特性。
Abaqus 的主要功能和優(yōu)點
對短歷時、動態(tài)、非線性工況高效模擬的顯式求解方法。
通用(“自動的”)接觸算法以簡化接觸定義。
修正了的十節(jié)點四面體單元,使得復(fù)雜幾何體的網(wǎng)格劃分更加容易,還可提供精確的接觸結(jié)果。
可變的質(zhì)量縮放技術(shù)提高了計算效率。
獨立網(wǎng)格劃分的緊固件,使用連接件單元來進(jìn)行點與點的連接,考慮了復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和機械性能,包括損壞。
時效輸出的實時低通過濾可避免重疊誤差。
背景知識
個人電子產(chǎn)品受到機械撞擊載荷是很尋常的,特別是從手中或者桌上掉下來產(chǎn)生的撞擊。能否經(jīng)受這種載荷對于設(shè)計一個成功的產(chǎn)品很關(guān)鍵。
要評估一個電子產(chǎn)品受到撞擊載荷時的響應(yīng),需要結(jié)合實驗測試和分析模擬。與物理實驗相比,模擬有著明顯的優(yōu)勢:提供重復(fù)結(jié)果和模型上任意點的信息(應(yīng)力、應(yīng)變、加速度等等),成本低,在設(shè)計過程中,任意階段都可以進(jìn)行模擬。
在本技術(shù)簡報中涉及的分析是一個無線光電鼠標(biāo)從 1 米高的地方跌落的模擬。該分析主要研究電子構(gòu)件在跌落過程中可能出現(xiàn)的故障。
有限元分析方法
鼠標(biāo)模型由外殼、帶有電子元件的電路板、滾輪和兩個按鈕組成。將外殼、按鈕和滾輪劃分為 10 節(jié)點四面體單元。這種單元可以很好地解決大變形、接觸分析問題以及出現(xiàn)最小體積和剪切鎖死等問題。它們的優(yōu)勢還在于可以利用自動四面體網(wǎng)格生成器來簡化復(fù)雜電子部件幾何模型網(wǎng)格劃分的工作。
電路板和電子元件劃分為六面體單元。電子元件作為剛體,通過基于表面的連接約束與電路板連接。連接約束將表面牢牢連接起來,在分析中是不會分開的。連接約束的優(yōu)點是被連接的網(wǎng)格不需要匹配,電子元件允許有相對比較粗糙的網(wǎng)格。圖 1 - 3 為組成鼠標(biāo)的部件。
圖 1:底座 圖 2:電路板、電子元件和滾輪
3:完整的模型
所有的變形部分采用線彈性材料。對于這些預(yù)期應(yīng)變很小的部件,通常都是如此處理。
實際的電腦鼠標(biāo)是用螺釘、撳鈕接頭和線夾配合或者其他連接方式連接起來的。建立這些特性完整詳細(xì)的模型是有可能的,然而目前分析著重的是電子元件承受的載荷。因此,所有構(gòu)件之間的機械連接點都是利用獨立網(wǎng)格劃分的緊固件或者基于表面的連接約束來近似。連接電路板和底座、按鈕和上殼都使用了約束。
獨立網(wǎng)格劃分緊固件可以在任意點連接兩個或者兩個以上部件;在連接的位置上不要求節(jié)點一致。另外,實際連接可以用連接件單元來建模。這樣使比如材料非線性、摩擦和損壞等復(fù)雜特性可以包含點到點的連接。
鼠標(biāo)殼體的底座、中間部分和上部是利用基于連接件的獨立網(wǎng)格劃分的緊固件連接起來的。Cartesian 和 Cardan 類型的連接件相結(jié)合,來獲得類似梁的特性。圖 4 標(biāo)明緊固件連接的位置。
圖4:獨立網(wǎng)格劃分的位置
網(wǎng)格獨立是通過將附著件分布到被連接表面上的一些節(jié)點上。這些節(jié)點會自動地和附著點一起被選中。然后這些附著點被用來定義連接件單元。例如,如圖 5 顯示了鼠標(biāo)前部連接底座和外殼中間部分的緊固件(從里看)。與單元連接的連接件單元和節(jié)點用紅點標(biāo)示出來。
圖 5:底座和外殼中間部分緊固件的剖面圖和連接點
雖然本次分析沒有包括材料損傷模型,但是該模型可以用于建立外殼損傷的模型。對于有屏幕或者鏡頭的電子產(chǎn)品,這一類模型對于這些易損部件的抗損性可以更加準(zhǔn)確地評估。
使用了通用(或者“自動的”)接觸運算法則,兩個表面都不需要詳細(xì)定義,從而簡化了接觸的定義。只用一個交互作用的定義,整個裝配就都在接觸域內(nèi)。底面被定義為剛體,所有的鼠標(biāo)部件都加上重力載荷。從 1 米高自由落體的初速度在每個節(jié)點上也都被設(shè)定了。
分析模擬了一個 5 毫秒的跌落過程。為了減少這次分析的運算時間,使用了質(zhì)量縮放技術(shù)。利用質(zhì)量縮放技術(shù),求解過程中,Abaqus 在不連續(xù)的時間點自動進(jìn)行質(zhì)量縮放,來保證用戶指定的最小時間增量。
分析結(jié)果和討論
圖 6 為本例中撞擊后瞬間的等效應(yīng)力等值線云圖,在撞擊區(qū)域和支持電路板凸起的底部有應(yīng)力集中。在這些區(qū)域中的應(yīng)力可采用子模型技術(shù)進(jìn)行更詳細(xì)的分析,利用子模型技術(shù),整個模型得到的結(jié)果可以用來驅(qū)動某個區(qū)域中更小的、更詳細(xì)的模型。
如果部件有相對運動,力或者力矩變得太大,典型的緊固件可能被損壞成碎片。在 Abaqus/Explicit 中,可以對可能會出現(xiàn)損壞的部件進(jìn)行定義,或者對所有部件進(jìn)行定義。同時也可以部件相對運動產(chǎn)生破壞的準(zhǔn)則進(jìn)行選擇。
圖 6:撞擊瞬間等效應(yīng)力
對于每個連接件單元,對軸向破壞力進(jìn)行定義。另外,當(dāng)連接件損壞后,所有有相對運動的部件都將松開。圖 7 為分析結(jié)束時模型結(jié)構(gòu),連接件在大約 0.08 毫秒時損壞,引起外殼完全分離。
圖 7:在運動 5 毫秒時鼠標(biāo)模型,顯示了外殼部件分離
圖 8 為前底座與外殼中間部分的連接件(參見圖 5)受到的力,繪出了局部 X 向和 Z 向分力,分別表示軸向和側(cè)面剪切力。因為對稱,局部 Y 向分力為零。另外兩條曲線顯示了連接件損壞沒有發(fā)生的情況下受到的每個分力。
圖 8:前底座到外殼中間部分緊固件的所有受力
圖 9 為模型內(nèi)能和動能的時程曲線。模擬開始,鼠標(biāo)自由落體,此時只有動能。撞擊開始,使外殼變形,將動能轉(zhuǎn)換成內(nèi)能。另外兩條曲線表示在連接件損壞沒有發(fā)生的情況下每種能量的時程曲線。
圖 9:整個模型內(nèi)能和動能
這個分析的目的是為了評估電子元件損壞的可能性。電路板元件的加速度記錄提供了關(guān)于載荷的信息。每個部件質(zhì)心的響應(yīng)被測量,圖 10 標(biāo)明了各質(zhì)心點的位置。圖 11 為 3001 部件的垂直加速度時程曲線,而且包括了連接件損壞沒有發(fā)生情況下的結(jié)果。
最初的加速度結(jié)果包含噪音,圖 11 中的曲線是經(jīng)過過濾后得到的。在求解過程中,單元、節(jié)點、接觸、集成和緊固件交互作用的時程數(shù)據(jù)在寫入輸出數(shù)據(jù)庫之前都經(jīng)過了過濾。在本次分析中,選用了截止頻率為 5kHz 的 Butterworth 過濾器。在撞擊過程中,過大的加速度可能損壞電子元件,盡管它們可能還附在電路板上。為了得到電子元件的耐用性,可以在已確定的實驗限定中檢驗它們承受的最大加速度。
圖 10:電子元件質(zhì)心的標(biāo)示
圖 11:電子元件 3001 的垂直加速度
其他確定耐用性的方法包括檢驗詳細(xì)的應(yīng)力應(yīng)變時效圖,特別是電路板上電子元件附近的應(yīng)力應(yīng)變情況。這些值可以用來判斷焊接點是否損壞。
結(jié)論
跌落模擬已經(jīng)成為設(shè)計個人電子產(chǎn)品必不可少的工具。Abaqus/Explicit 的先進(jìn)性使得這種加載情況很容易運用到設(shè)計過程中去。
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