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手机跌落破坏仿真分析研究
本文TAG:自由跌落;加强筋厚度;壳体厚度;MSC.Dytran      2008/6/15
作者:祖景平, 薛澄岐  出处:《中国制造业信息化》期刊  阅读:6220  推荐:0
国家对电工电子产品的环境试验有严格的标准规定,其中一项重要试验项目就是自由跌落。而自由跌落作为通讯产品手机环境试验的一个重要试验项目,其属于实物试验,多在产品开发后期进行。采用有限元技术仿真手机环境的自由跌落响应,可在手机模型设计初始、实物样机制造出来之前进行,能够有效地发现设计缺陷。本文采用了MSC.PATRAN/DYTRAN软件就手机自由跌落试验仿真分析过程中加强筋厚度对手机壳体强度和刚度的影响进行了分析,并得出加强筋厚度设计的通用参考。
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0 引言
在电子产品迅猛发展的今天,产品的碰撞问题是在经济建设和生产实际生活中经常大量遇到的。凡是有形的物质产品,如当今盛行的手机,便携式电脑,电子字典和一些其它的电子器件等等从投产开始,直到产品完全报废,总是在不经意时与它外界的物品发生碰撞,这是不可避免的。国家对电工电子产品的环境试验有严格的标准规定,其中一项重要试验项目就是自由跌落。为了能使自己的产品符合国家标准,生产厂家一般情况下都要对产品实物进行自由跌落试验,实物试验的缺点是:验后结论,即只有在试验完成后才知道设计是否有缺陷,而此时修改设计花费的时间和费用较高,不利于产品快速推向市场。有关研究表明,在新产品的研制过程中,约70%-80%的成本耗费于设计阶段。因为在这个过程中,存在着因产品设计存在缺陷而导致产品重复修改、甚至重新设计。工程技术人员常常因产品设计的修改不得不重新复核图纸并进行修正,而其他相关的支持部门(例如模具部门、自动化部门等等)也要作相应的动作来辅助设计部门进行修改,不仅耗费时间精力,而且造成产品成本上升、不能按时投放市场。因此,在电子产品开发阶段利用计算机仿真方法进行结构耐撞性的分析可以有效地提高产品的可靠性,降低开发成本,提高产品的市场竞争能力。在近年来,碰撞模拟技术发展非常迅速,由于有限元技术的应用使类似碰撞的结构分析更准确、更直观。有限元模型可以建立局部结构的力学分析模型,它能真实地描述结构的应力与变形。本文利用大型有限元软件MSC公司的PATRAN/DYTRAN软件对一手机壳体模型实现了由PRO/E中导入,并分析手机跌落模拟仿真过程中加强筋的厚度对手机壳体强度和刚度的影响。
1           算法分析和加强筋的作用
               算法分析
     碰撞是一个动态复杂过程,接触和高速冲击载荷影响着碰撞的全过程,系统具有几何非线性、材料非线性和碰撞边界非线性多重非线性,因此,对于手机外壳结构在冲击载荷下的瞬态动力学过程进行数值仿真,得到外壳在整个过程
中的应力历程的数值算法一般都会采用显式积分求解算法。
显式积分求解算法的原理如下:
1)建立碰撞运动方程
在总体坐标系下,碰撞的运动方程可以表示为:
[M]{a}+[C]{v}+[K]{d}={F }          (1)
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;{d}为位移向量;{F }为包括碰撞力在内的外力向量;
若令{F } =[C]{v}+[K]{d},并设:{F }={F }-{F },则碰撞方程可以
写成为:
[M]{a}={F }                (2)
如果采用集中质量,即质量矩阵[M]变成对角矩阵,则各个自由度的方程将
是相互独立的,即:
M aF (i=1,2,…)           (3)
2)显式积分算法
用显式方法求解碰撞运动方程,首先由方程(3)直接求出
a=F / M           (4)
然后对时间积分求得速度v,再积分一次就会获得位移d,这里采用中心差分的显式格式来进行时间积分。中心差分的显式格式为:
v =v+a(t +△t )/2
d =d+v.t                     (5)
     t =(t +△t )/2
 
因此在整个时域范围内,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。对于本文的壳元:
     t<α(L /c),其中,α为时步因子,L为板壳元最小的单元边长度,c=为材料的声速。
1.2 加强筋在手机设计中的作用
加强筋是手机壳体设计中必不可少的部分,加强筋是一种经济实用的加强壳体强度(Strength)和刚度(Stiffness)的特征,加强筋还起到对装配中元器件定位的作用;对互相配合的部件起对齐的作用;对机构起止位和导向的作用。通过设计加强筋仅需要增加7%的材料,而通过增加壁厚却需要增加25%的材料。
加强筋的设计涉及到厚度(Thickness),高度(Height),位置(Location),数量(Quantity),成型(Moldability),等五个方面。厚度很关键,太厚会引起对面的表面上有缩水(Sink)和外观(Cosmetic)的问题。一般来说加强筋的厚度和手机壳体的厚度是有一定的关系的,即加强筋厚度=壳体厚度的%。
一般来说,加强筋的数量都是以偶数出现的,本文为了得出不同厚度的加强筋对手机壳体强度和刚度的影响,对手机壳体上加强筋的数量进行了简化,只在碰撞区域加两个加强筋来作分析。
 
2           不同厚度的加强筋对手机壳体强度和刚度的影响
            仿真模型的建立
     建立仿真分析的模型是仿真的前提条件。这里利用CAD建模软件 PRO/E 建立了手机壳体模型。由于MSC.Patran能与PRO/E无缝集成,它的前后处理功能强大,能识别CAD模型特征,自动进行网格划分和局部网格过渡。这样,就将手机壳体几何模型转化为供仿真分析的问题抽象模型(见图 2)。
            有限元网格划分
离散单元采用4结点的四面体元进行网格划分。由于加强筋厚度的不同,从而导致了手机壳体的节点数和单元数微有不同,结点数和单元数见表 1。
       1 手机壳体和刚性墙模型的结点数和单元数

1 手机壳体和刚性墙模型的节点数和单元数
零件
节点数
单元数
手机壳体
(大约)5880
(大约)16880
刚性墙
76
59

            模型分析
     手机跌落到地面的过程,可以看成是其以一定的初始速度碰到刚性墙的过程,所以本文在有限元模型的下方设立一刚性墙,让模型以一定的初始速度撞向刚性墙。这个初始速度为物体自由下落1.5m 时的速度。接触采用了两个面之间的任意接触类型,为了定义接触,必须先定义发生接触的面(Surface)。相互接触的两个面,其地位是不相等的,一个被成为“主面”,另一个被称谓“从属面”。主接触面的面段,其法线应当指向同一个方向,否则会有问题,故这里把刚性墙设置位“主面”,手机壳体设置为“从属面”。最后生成MSC.DYTRAN计算所需要的*.dat输入文件,并提交给DYTRAN进行计算。
     手机壳体材料为PC/ABS,为塑料材料,为了简化计算,将它看作一般的弹塑性材料,其参数为:屈服强度为80MPa,密度为1140kg/cm^3,弹性模量为2.50GPa,泊松比为0.3,手机壳体厚度为1.5mm,手机总体质量为80g。
由于本文主要考虑手机外壳在碰撞时不同厚度的加强筋对手机壳体强度和刚度的影响,所以对跌落仿真分析过程中出现的手机壳体失效问题不加以分析。国家标准规定跌落高度的优先选择值25、100、500、1000mm等,出于安全性的考虑选取跌落高度为1500mm,与地面刚性撞击,如图 1所示。
无加强筋和有不同厚度加强筋的手机壳体在经软件分析计算后的最大应力及应变如表 2所示。由于篇幅所限下面只给出rib thickness=stX50%和stX75%的应力图,如图 3所示。
 表 2 有不同厚度加强筋和无加强筋的手机壳体和最大应力、应变
壳体厚度(st):1.5mm 材料(mat):pc/abs 屈服应力(ys):80MPa
壳体有加强筋
rib thickness(Xst)
Y-stress(max.)
effective plastic strain(max.)
单位:
Mpa
 
40%
94.0
2.45E-02
45%
93.7
2.42E-02
50%
93.7
2.33E-02
55%
93.7
2.31E-02
60%
93.4
2.27E-02
65%
93.3
2.25E-02
70%
93.1
2.22E-02
75%
93.0
2.20E-02
80%
92.9
2.19E-02
85%
92.9
2.14E-02
壳体无加强筋
92.9
1.94E-02
            仿真结果分析
从分析的结果可以得出手机壳体通过增加加强筋是可以提高其强度和刚度的,而对于具有不同厚度加强筋的手机壳体分析是从加强筋厚度=壳体厚度的40%开始的,到加强筋厚度=壳体厚度的85%结束,其中数据采样间隔为5%,从分析结果来看,由于在跌落分析过程中手机壳体在Y轴方向上所受的应力最大值已经超出了材料的屈服应力,故壳体发生了塑性变形,伴随着加强筋厚度的增加,手机壳体的强度有所增强,而塑性变形量有所下降,当加强筋厚度=壳体厚度的50%时,相对于加强筋厚度=壳体厚度的45%时,塑性应变值下降的最大,应变值的下降率为3.72%,而当加强筋厚度=壳体厚度的80%时,相对于加强筋厚度=壳体厚度的75%时,塑性应变值下降的最小,应变值的下降率仅为0.45%,同时考虑到模具加工的工艺性要求,建议对于手机壳体材料为PC/ABS,手机壳体壁厚<=1.5mm的时候,加强筋厚度设计通用参考:壳体厚度的50%<=加强筋厚度<=壳体厚度的75%。
3           结论
本文通过深入分析无加强筋和有不同厚度的加强筋对手机壳体强度和刚度的影响,得出利用CAE工具,对产品的自由跌落状况进行仿真。通过对仿真结果的分析,能够为产品的设计开发及改型提供一定的依据。使得在样机制作出来之前即可预知设计是否存在缺陷,因此可及时修改设计,缩短开发时间,加速产品开发过程;同时也可以降低产品的成本,提高产品质量。本文的仿真分析虽然是针对手机的,但是所得出的结论也适合其他需要作跌落测试的电子产品。
参考文献:
1    MSC PATRAN Users Manual[M]. MSC Software, 1999.
2    MSC DYTRAN Users Manual[M]. MSC Software, 1999.
3    Ted Belytschko. Finite. Northwestern. 1996.537-662 University Elements for Nonlinear Continua and Structures
4    王福军. 冲击接触问题有限元法并行计算及其工程应用.[博士学位论文].清华大学工程力学系,2000.
[其他文章]
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·手机跌落破坏仿真分析研究  (2008/6/15)
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