ABAQUS有限元分析毕业论文
更新时间:2023-11-04 15:16:01 阅读量: 综合文库 文档下载
洛阳理工学院毕业设计(论文)
洛 阳 理 工 学 院
毕 业 设 计(论 文)
题目 翻盖手机跌落的失效分析
姓 名 刘德磊 系 (部) 机电工程系
专 业 计算机辅助设计与制造 指导教师 赵秀婷
年 月 日
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洛阳理工学院毕业设计(论文)
手机盖结构抗跌落设计方法的研究
摘 要
跌落冲击是普遍存在的接触动力学问题,来源于工程设计中常见的固体物品掉落的动力接触现象,具有很强的非线性特征。对这类跌落现象进行分析,一般将跌落问题采用有限元方法,并结合实际的跌落试验数据验证,从而进一步完善有限元模拟的精度,是解决复杂结构的跌落仿真问题的有效的手段,对跌落冲击的数值仿真技术的研究具有十分重要的理论和工程意义。
本文以接触动力学为基础,采用有限元数值模拟技术,较系统地研究了手机盖结构跌落过程中接触和碰撞问题的一般分析方法和求解过程,为非线性有限元仿真分析奠定了坚实的基础。本文将接触动力学的基本方程和有限元建模方法相结合,提出了复杂结构在跌落冲击载荷作用下的数值模拟方法。以手机为载体,手机透明盖为研究对象,在原手机跌落试验发现失效的基础上,详细比较了手机盖结构改善前后的区别,并对改善后的手机盖结构进行有限元模型的构建,详尽分析了单元类型的选择、零件间连接关系的定义、边界条件的定义。
通过对手机不同跌落方向的模拟仿真获得了手机盖在手机跌落时的响应特性,为研究其他同类复杂结构的冲击动力学研究提供了一定的理论支持和工程参考。
关键词:有限元法,跌落撞击试验,手机盖,数值模拟
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STUDY OF ANTIDROP DESIGN FOR MOBILE
PHONE STRUCTURE
ABSTRACT
Drop and impact are ofen seen in engineering practice and recognized as a contact collision problem,and the problem shows highly characteristics of nonlinearity. Normally it’s effective method to solve dropping issue complex structure with finite element method and actual dropping test data,and it will improve the precision of finite element simulation.So the analysis and research for drop phenomena with finite element method is important in both theoretical and engineering fields.
Studying the general analysis method and solving process of the phone’s flip contact and impact duing dropping with finite element analysis simulation technology based on the contact dynamics will be the set up for nonlinear simulation analysis.It is be provied that simulation method with complex structure,during dropping impact load and combined with contact dynamics and finite element analysis method.
The phone’s flip is taken as the object.Based on the failure of original flip drop test,the difference between original and modified flip strucyure is compared,and the finite element model with the modified flip structure is set up.Element selecting,interaction definition and boundary condition definition are analyzed in detail.
The response character of the transparent flip is analyzed by using different drop orientation simulation.The phone’s drop test is done in order to verify the simulation corretness.The test result of flip reliability is obtained through two different drop test methods,which shows consistency between test and simulation result rationality.The phone’s flip drop test is explored,theoretical support and engineering reference is contributed to the impact dynamics research of similar complex strucyure.
KEY WORDS: Finite element method,Drop impact test,Mobile phone flip,Numerical simulation
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目 录
前 言 ................................................................................................ 1 第1章 绪论 ...................................................................................... 2
1.1 课题背景 ............................................................................... 2
1.1.1 振动与冲击对电子设备的危害 .................................. 2 1.1.2 电子产品跌落试验的必要性 ...................................... 3 1.2 国内外研究现状 ................................................................... 4 1.3 本课题研究内容 ................................................................... 6 第1章 ABAQUS有限元分析基础 .................................................. 8
1.1 有限元法与数值模拟技术 ................................................... 8
1.1.1 有限单元法分析 ......................................................... 8 1.1.2 有限单元法分析实现手段 .......................................... 9 2. 1ABAQUS软件简介 ........................................................ 9 2.1.1 ABAQUS软件的结构 ............................................... 10 2.1.2 ABAQUS软件的特点 ............................................... 11 2.1.3 ABAQUS的分析步骤 ............................................... 11
第2章 非线性有限元及碰撞理论 ................................................. 14
2.1 非线性有限元介绍 ............................................................. 14 2.2 接触和碰撞介绍 ................................................................. 15
2.2.1 接触问题求解的一般过程 ........................................ 16 2.2.2 接触问题有限元方程的求解方法 ............................ 17
第3章 手机翻盖部件及跌落介绍 ................................................. 19
3.1 手机翻盖结构介绍 ............................................................. 19
3.1.1 手机普通翻盖结构介绍 ............................................ 19 3.2 手机跌落试验标准 ............................................................. 20
3.2.1自由跌落环境试验标准简介 ..................................... 20 3.2.2 手机跌落试验工况 ................................................... 21 3.2.2 初始条件的确定 ....................................................... 22
第4章 翻盖手机跌落数值模拟的有限元分析 .............................. 23
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4.1 有限元模型的建立 ............................................................. 23
4.1.1有限元模型的建立原则 ............................................. 23 4.1.2 几何模型的建立 ....................................................... 23 4.1.3 有限元网格的划分和单元类型的选择 .................... 24 4.1.4 各零部件材料的定义 ............................................... 25 4.2手机翻盖跌落数值模拟分析............................................... 26
4.2.1 手机跌落数值分析 ................................................... 26
结 论 .............................................................................................. 28 谢 辞 ................................................................................................ 29 参考文献 .......................................................................................... 30 附 录 .............................................................................................. 32
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前 言
电子设备为人们提供了舒适、安全、方便的生活条件,丰富了人们的娱乐生活,其中许多设备在应用时难免要处在强烈的振动或冲击环境下,这种环境能显著地降低设备性能甚至引起严重损坏。而3C产品在运输、装卸及使用过程中,结构可能发生破坏,有近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。为了在激烈的竞争中赢得市场,电子产品制造商期望在最短的时间内以最好质量把产品投放市场。因此,电子产品的抗跌落性能越来越受到制造商的重视。为了提高电子产品的抗冲击性能,传统的方法是做实物试验,是一个“设计-样机-测试-再设计”的过程。这个过程耗费了大量的人力、物力和时间,且此方法还受到产品尺寸的限制,有时可能因产品尺寸的关系而不能再关键部位布置传感器,以致无法进行试验。利用有限元软件对电子产品进行仿真则可以弥补以上的不足,有限元仿真可以在产品样机出来之前就对产品进行仿真分析,对产品抗跌落性能有预先的了解,从而完善产品设计,缩短产品的研发周期,节省研发费用,增强市场竞争力。
随着有限元软件和计算机技术的迅速发展,计算机模拟测试已经逐渐成为一种可以替代实际测试的研究方法。对比实际样品的测试,计算机模拟不仅更经济省时,而且能提供更为全面的信息。手机跌落测试是手机产品测试中的一个重要环节,国内外相关规范标准中规定了手机跌落测试的各项环境条件和操作规范。手机跌落瞬间是结构在很短时间内在巨大冲击载荷作用下的复杂动态冲击过程,对手机跌落进行数值模拟,研究跌落冲击载荷下结构响应规律。
本文利用Abaqus有限元分析软件对手机壳体模型实现了由Pro/ENGINEER模型导入,并分析手机跌落模拟仿真过程中手机电池盖是否同手机主体脱离,是否导致电池裸露而使整体设计失败。
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第1章 绪论
1.1 课题背景
电子设备为人们提供了舒适、安全、方便的生活条件,丰富了人们的娱乐生活,其中许多设备在应用时难免要处在强烈的振动或冲击环境下,这种环境能显著地降低设备性能甚至引起严重损坏。而3C产品在运输、装卸及使用过程中,结构可能发生破坏,有近80%的电子机构产品损坏来自于高速撞击。在当今竞争日益激烈的手机市场[1]中,如何降低生产成本,赚取最大利润是生产厂家所一直追求的。减少产品在流通中的损失也逐渐成为很多大企业增加利润的一个新途径。我们通过跌落仿真试验可以极大的提高企业的研发能力和产品的竞争力,并且可以为企业减少意外的损失,保证和维护企业的运营、销售和信誉,为企业创造更大的利益。
1.1.1 振动与冲击对电子设备的危害
在电子设备所处的机械环境中,各种机械力和干扰形式都有可能对设备的可 靠性造成危害,其中危害最大的是振动和冲击。它们造成的危害主要有两种:
(1)设备在某一激振频率下导致振幅很大的共振现象,最终因振动加速度超 过设备所能承受的极限加速度而破坏;或者由于冲击所产生的冲击力超过设备的 强度极限而使设备破坏。
(2)振动加速度或冲击力引起的应力虽远低于材料在静载荷下的强度,但由 于长时间振动或多次冲击使材料疲劳破坏,从而导致设备破坏。
设备破坏的原因,除了零部件的设计、制造和装配质量不合格等以外,主要是设计整机或零部件时,忽视了环境条件的严酷度对设备造成的影响,没有充分考虑设备承受环境条件界限的能力,或是振动和冲击的隔离系统设计不当所致。
振动和冲击对电子设备造成的危害具体表现在:
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(1)没有附加紧固措施的接插件(如集成电路、印刷电路板、带接插头的连接电缆等)会从插槽中跳出来,造成信号开路,并碰撞其他元件或电路而造成短或损坏。
(2)阴极射线管电极变形、短路、折断;或者由于各电极作过多的相对运动而产生噪声信号,不能正常工作。
(3)振动引起弹性零件变形,使具有触点的元件(电位器、波段开关、插头插座等)产生接触不良或完全开路。
(4)指示灯忽亮忽暗,仪表指针不断抖动,使观察人员读数不准,视觉疲劳。
(5)当零件固有频率和激振频率相同时,会产生共振现象。
(6)电路中的安装导线变形及移位使其相对位置改变,引起电路的部分参数变化,从而使电感、电容的耦合发生变化。
(7)设备的机械结构(机壳、支撑架、支撑板等)变形,脆性材料(如玻璃、陶 瓷、胶木、聚苯乙烯)断裂。
(8)防潮和密封措施受到破坏。 (9)焊锡或熔焊处断开。
(10)螺钉、螺母松开甚至脱落,并撞击其他零部件,造成短路和破坏。 电子设备因其中各种元器件数量多,许多元器件承受机械环境的能力较弱,所以因机械作用力引起的损坏和故障率也很高。在机械环境中,振动将导致元件或材料疲劳损坏,而冲击则是由于瞬时加速度很大造成元件损坏。
1.1.2 电子产品跌落试验的必要性
日常生活中,电子产品在运输、装卸和使用过程中结构可能发生破坏。尤其便携式电子产品的使用日益普遍,其抗冲击性能越来越受到关注。如移动电话、PDA(掌上电脑)、笔记本电脑、电子词典、MP3 播放器等在使用过程中难会掉落 到地上造成这样那样的损坏,包括外壳、显示屏以及内部电子元件的损。电子设备向人类活动的各个领域渗透,仅以电路性能作为评价其技术指标的观念将到挑战。
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为了在激烈的竞争中赢得市场,电子产品制造商期望在最短的时间内以最好质量把产品投放市场。因此,电子产品的抗跌落性能越来越受到制造商的重视。为了提高电子产品的抗冲击性能,传统的方法是做实物试验,是一个“设计-样机-测试-再设计”的过程。这个过程耗费了大量的人力、物力和时间,且此方法还受到产品尺寸的限制,有时可能因产品尺寸的关系而不能再关键部位布置传感器,以致无法进行试验。利用有限元软件对电子产品进行仿真[2]则可以弥补以上的不足,有限元仿真可以在产品样机出来之前就对产品进行仿真分析,对产品抗跌落性能有预先的了解,从而完善产品设计,缩短产品的研发周期,节省研发费用,增强市场竞争力。
1.2 国内外研究现状
近年来,为了切实提高产品在意外跌落[3]时的可靠性,很多研究者对电子产品等的抗冲击性能进行了广泛的研究。这些研究主要从试验研究、数值模拟和理论解释三个方面进行了努力。
试验研究可以分为针对整个产品的实验研究和针对部件的实验研究两种。目前针对整个产品的实验研究还处于在试验现象的观测阶段。实验通常在各实验室针对个别产品进行;实验中用到的传感器则多数为在电路板上贴应变片和加速度传感器,在撞击平面安装力传感器来测量撞击力;通常采用高速摄像机来观测撞击的过程。在研究产品的某些敏感部件的抗冲击性时,常常用冲击试验[4]替代产品的实际跌落试验。在进行冲击试验时,首先将被测部件以一定方式牢固地安装 在冲击试验机的载物台上,然后使规定形状、幅度和持续时间的脉冲作用到被测产品或部件上。这些初步的试验研究解决了一些技术性的问题如跌落姿态的控制,传感器的安装等等,同时初步的实验现象和实验数据给进一步的研究提供了一定的启示。
对于产品的跌落试验,一个重要问题是跌落姿态的控制。Motorola公司的Wu 等等,用一种柔性固定设备解决这一问题:用几根细线将样品悬挂在一个跌落架上,试验时让样品随同跌落架同时下落,当样品与底面碰撞后即让跌落架停止下落。Lucent公司贝尔实验室的Goyal和Buratynski 则利用类似跌落试验台的装置: 将样品悬挂在试验台上,使得样品和试验台
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同时下落,在试验台碰到地面之前将样品释放,当试验台刚刚停止运动时,样品撞到试验台上,因而样品没有足够的时间改变冲击姿态。新加坡国立大学的Shim[5]和Lim设计了一个更为灵活的跌落试验机(该设计己经获得美国专利),该试验机利用一对可转动的夹钳将样品固定在一定方位,夹钳则固定在有导轨的滑块上,试验时滑块带着夹钳和样品同时下落,在落地前的一瞬间,通过电磁开关使夹钳打开释放样品。最近,日本的 Yoshida Seiki公司推出一种专门针对便携式电子产品的跌落试验机DT202,与新加坡国立大学的设计不同在于其固定系统使用一对压缩空气笔。几种方法比较,新加坡国立大学的Lim等的设计最为可取,不仅保证了跌落姿态,同时通过控制夹钳的旋转角度保证了实验的稳定性与可重复性。另外,沈阳新乐精密机械公司的于治会、清华大学的李鸿儒、西安工业大学的袁艳等针对不同产品的跌落状况,分析跌落原理并设计出了跌落冲击试验台。
对于部件的实验研究,各半导体和电子产品供应商均采用冲击试验来测量不同电子封装芯片的可靠性,如日本Fujitsu公司,Nokia公司等。JEDEC推出针对便携产品的电路板水平冲击测试标准JESD22-B111,统一规定了电路板尺寸,芯片的布局,测试板环链线路(daisy chain)的规格,和测试方法等等。标准要求电路板经受峰值1500g,作用时间为0.5 ms的半正弦的加速度脉冲。
随着有限元分析软件和计算机技术的迅速发展,计算机模拟测试已经逐渐成为一种可以替代实际测试的研究方法。对比实际样品的测试,计算机模拟不仅更经济省时,而且能提供更为全面的信息。
近几年很多研究者介绍了用各种有限元软件进行电子元器件研究的方法。 Zhu[6]应用子模型技术研究了BGA芯片的电路板焊点冲击响应;Sogo等[7]发展了一种两步模式分析电路板焊点冲击响应,并且从实验中得到验证:Scot Irving等则尝试用ANSYS的隐式代码来模拟一种Fairchild芯片的冲击试验:Lall等介绍了一种模糊性质模型(Smeared property formulations)来模拟电路板的冲击;Ren 等采用梁和壳的简化模型来模拟电路板的冲击响应,与未简化的三维模型对比结果相当符合;Tee等对各种封装形式的芯片如窄带球栅阵列(Thin-profile Fine-pitch BGA,TFBGA),方形扁平无引脚封装(Quad fiat no-lead, QFN),和整合式被动元件(Integrated passives
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device, IPD)等进行了数值模拟和实验验证。
另有一些研究者对具体的产品跌落试验进行数值模拟分析。Wu[8]等最先介绍了采用LS-DYNA的显式代码进行跌落试验数值模拟的基本方法。Low[9]等研究了迷你高保真音像设备在跌落冲击下的瞬态响应,数值模拟得到的加速度响应与试验相比较为接近:Lim[10]等利用Abaqus/Explicit对寻呼机的跌落冲击进行了数值模拟;Ericsson公司的Zhu等通过模拟手机跌落的不同破坏模式,示范了各种分析模块和技术,包括顺序法(Sequential technique)、子模态法(Sub-mode technique)等;Pan[11]等则对TET LCD显示器进行了详细的数值模拟,试验验证和包装改进的工作;同济大学的李鹏忠分析模拟了UT斯达康小灵通手机在自由跌落环境下响应[12]。此外还有包装体、医疗箱等的跌落仿真研究。
理论研究方面己经突破了原有的单自由度模型,并利用结构冲击动力学的方法来研究。虽然单自由度模型提供了系统冲击响应的基本概念,但由于忽略了部件的可变性以及部件和其支撑结构之间可能的祸合运动,对分析实际的产品可能过于粗糙。
以上对于产品跌落实验的研究,主要着重于用有限元软件进行仿真,而没有进行后续的试验验证阶段,或者是基于简单的结构模型试验来对有限元仿真进行修正,这些都对整体的结构分析带来一定的局限,也给分析的结果带来了一定的偏差。鉴于此,为了在复杂的冲击动力学问题中更加真实有效地进行数值模拟,本课题提出将试验方法与数值仿真相结合,用试验来验证仿真的准确性,确认有限元模型的合理性。
1.3 本课题研究内容
我们选用CAD造型软件建立起了手机模型。由于手机内部的结构比较复杂、造型困难,也为了在ABAQUS中进行跌落模拟试验的方便,按照一定的原则,我们造型时对手机模型进行了适当的简化。最后我们利用有限元软件ABAQUS对建立起的手机翻盖模型进行处理,并对手机的跌落试验进行模拟仿真分析。通过观察手机受到跌落冲击过程中,应力、应变等情况的变化,我们可以找出手机受到跌落冲击时的薄弱或易损位置。
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这些数值和分析既可以让我们对己有产品进行检测,发现其可能出现的质量问题并加以改进,也可以将其应用于新产品的开发上,从而得到在产品设计中最适合的产品造型和工艺参数。
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第1章 ABAQUS有限元分析基础
1.1 有限元法与数值模拟技术
在工程技术领域中有许多力学问题和场问题,例如固体力学中的应力应变场和位移场分析、传热学中的温度场分析、流体力学中的流场分析、以及电磁学中的电磁场分析等,都可以看做是在一定边界条件下求解其基本微分方程的问题。对于这类问题,往往需要借助于各种行之有效的数值计算方法来获得满足工作需要的数值解,这就是数值求解技术,他在实际工作领域发挥着举足轻重的作用。目前在工程实际应用中,常用的数值求解方法有:有限单元法、有限差分法、边界单元法和加权残数法等。但从实用性和使用范围来说,有限单元法则是随着计算机的发展而被广泛应用的一种行之有效的数值计算方法。它在工程技术领域的应用十分广泛,几乎所有的弹塑性结构静力学和动力学问题都可以用它求得满意的数值结果。
1.1.1 有限单元法分析
有限单元法[13-14](Finite Element Method)的基本思想最早出现于20世纪40年代初期,直到1960年,美国的克拉夫(Clough.R.W)在一篇论文中首次使用“有限单元法”这个名词。在20世纪60年代末至70年代初,有限单元在理论上已基本成熟,并开始陆续出现商业化的有限元分析软件。
有限单元法的基本思想是将连续的结构离散成有限个单元,并在每一个单元中设定有限个节点,将连续体看作是只在节点处相连接的一组单元的集合体;同时选定场函数的节点值作为基本未知量,并在每一单元中架设一近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律,进而利用力学中的某些变分远离去建立用以求解节点未知量的有限元法方程,从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题。一经求解就可以利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以致整个集合体上的场
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函数。有限单元法解题的一般步骤是:结构离散化、选择位移模式、建立平衡方程、求解节点位移、计算单元中的应力应变。有限元分析本体程序的内容取决于采用有限单元法分析的问题类型。可以是静力学的或动力学的问题,可以是温度场或流场问题,可以是稳态场或瞬态场问题,也可以是线性的或非线性的问题等等。
1.1.2 有限单元法分析实现手段
有限单元法分析实现手段主要是通过有限元分析软件来实现的。目前国际上较大型的面向工程的有限元通用软件主要有:ANSYS、NASTRAN、ASKA、ADINA、SAP、ABAQUS等。其中以ANSYS为代表的工程数值模拟软件,是一个多用途的有限元分析软件,它从1971年的2.0版本与今天的10.0版本已有很大的不同,其分析功能不断完善和扩充,起初它仅提供结构线性分析和热分析,现在还可以用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。它包含了前置处理、解题程序以及后置处理,将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合,已成为现代工程问题必不可少的有力工具。ABAQUS是一套基于工艺模拟系统的有限元系统(FEM),专门设计用于分析各种金属成形过程中的三维 (3D) 流动,提供极有价值的工艺分析数据,有关成形过程中的材料和温度流动。在这里,它也是本课题研究的基础软件工具。
2. 1ABAQUS软件简介
ABAQUS是一套基于工艺模拟系统的有限元系统(FEM),专门设计用于分析各种金属成形过程中的三维(3D)流动,提供极有价值的工艺分析数据,有关成形过程中的材料和温度流动。典型的ABAQUS应用包括锻造、挤压、镦头、轧制、自由锻、弯曲和其他成形加工手段。ABAQUS是模拟3D材料流动的理想工具。它不仅鲁棒性好,而且易于使用。ABAQUS强大的模拟引擎能够分析金属成形过程中多个关联对象耦合作用的大变形和热特性。系统中集成了在任何必要时能够自行触发自动网格重划生成器,
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生成优化的网格系统。在要求精度较高的区域,可以划分较细密的网格,从而降低题目的规模,并显著提高计算效率。ABAQUS图形界面,既强大又灵活。为用户准备输入数据和观察结果数据提供了有效工具。ABAQUS还提供了3D几何操纵修正工具,这对于3D过程模拟极为重要。ABAQUS延续了ABAQUS系统几十年来一贯秉承的力保计算准确可靠的传统。在最近的国际范围复杂零件成形模拟招标演算中,ABAQUS的计算精度和结果可靠性,被国际成形模拟领域公认为第一。相当复杂的工业零件,如连杆,曲轴, 扳手,具有复杂筋-翼的结构零件,泵壳和阀体,ABAQUS都能够令人满意地例行完成。ABAQUS是在一个集成环境内综合建模、成形、热传导和成形设备特性进行模拟仿真分析。适用于热、冷、温成形,提供极有价值的工艺分析数据。如:材料流动、模具填充、锻造负荷、模具应力、晶粒流动、金属微结构和缺陷产生发展情况等。ABAQUS功能与2D类似,但它处理的对象为复杂的三维零件、模具等。
2.1.1 ABAQUS软件的结构
ABAQUS软件主要包括三个部分:前处理器、求解器和后处理器。前处理器提供了强大的实体建模及网格划分工具,用户可以方便地构建有限元模型;求解器主要用来对前处理器中建立的有限元模型求解;后处理器则可以对模拟计算的结果进行观察。其各部分的具体功能如下:
(1)前处理器
前处理器主要是用来建立有限元模型的,这也是问题求解的前提。在前处理器中,我们可以对模型进行选择单元类型,设置单元实常数,设置材料属性,构建几何模型,划分网格等操作。
(2)求解器
求解器的功能包括指定分析类型(包含一些参数的设置),施加载荷和约束,进行求解。
(3)后处理器
ABAQUS软件的后处理过程包括两个部分:通用后处理器和时间历程后处理器。
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*Elset,elset=_PickedSet50,internal,instance=PART-mobile-rear-housing-l, generate
860400, 896107, 1
** 定义名称为Set-velocity的点集合(包括手机后壳体、手机电池以及手机电池盖模型上的所有节点)
*Nset,nset=Set-velocity,instance= PART-mobile-battery-1,generate 29420, 31907, 1
*Nset,nset=Set-velocity,instance= PART-mobile-cover-1 ??
*Nset,nset=Set-velocity,instance= PART-mobile-rear-housing-1,generate 697816, 769940,
** 定义名称为Set-acceleration的点集合(包括手机后壳体上的一个节点) *Nset,nset=Set-acceleration,instance= PART-mobile-rear-housing-1 703802
Rigid Body, ref node=_ PickedSet49, elset= _PickedSet50 *End Assembly **
**----------------------------------------------------------------------------------------- **
** 定义材料属性 **MATERIALS **
*Material, name=Material-alloy *Density 2800, *Elastic
2.07e+11, 0.3
*Material, name=Material-pc-abs *Density 1140,
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*Elastic
2.6e+09, 0.38 *Plastic 8e+07, 0 **
** 定义接触属性
**INTERACTION PROPERTIES **
*Surface Interaction, name=IntProp-friction03 *Friction 0.3,
*Surface Behavior, pressure-coverclosure=HARD **
** 定义名称为BC-constraint的边界条件,约束刚性墙参考点的所有自由度
**Name: BC-constraint Type: Displacement Rotation *Boundary
_PickedSet46, 1, 1 _PickedSet46, 2, 2 _PickedSet46, 3, 3 _PickedSet46, 4, 4 _PickedSet46, 5, 5 _PickedSet46, 6, 6 **
**PREDEFINED FIELDS **
** 定义手机跌落模型的速度场
**Name: Predefined Field- velocity Type: Velocity *Initial Conditions, type=VELOCITY Set-velocity, 1, 0,
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Set-velocity, 2, -3.96, Set-velocity, 3, 0, **
** STEP: Step-drop-test **
** 定义名称为Step-drop-test的显式动态分析步 *Step, name: Step-drop-test Apply velocity for the mobile parts *Dynamic, Explict 0.0004 *Bulk Velocity 0.06, 1.2 **
** 定义分析步Step-impact的结果输出变量数值 **OUTPUT REQUESTS **
*Restart, write, number interval=1, time makes=NO **
**FIELD OUTPUT: F-Out-1 **
*Output, field
*Element Output, directions=YES S,
*Contact Output CSTRESS, **
**HISTORY OUTPUT: H-Output-1 **
*Output, history *Energy Output
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ALLIE, ALLKE, ETOTAL **
** HISTORY OUTPUT: H-Output-2 **
*Node Output, nest=Set-acceleration AT, *End Step
注:??表示有数据存在,可能是节点编号和坐标,可能是单元编号和坐标,可能是节点编号,可能是单元编号等。
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(1) 接触界面的区域大小和相互位置以及接触状态不仅事先是未知的,而且随时间变化的,需要在求解过程中确定。
(2) 接触条件的非线性。接触条件的内容包括:接触物体间不可相互侵入;和接触力的法向分量只能是压力;
(3) 切向接触的摩擦条件。这些条件区别于一般约束条件,其特点是单边的不等式约束,具有强烈的非线性。
接触界面的事先未知性和接触条件的不等式约束决定了接触分析过程中需要经常插入接触界面的搜寻步骤。接触条件的强烈非线性需要研究比求解其他非线性问题更为有效的求解方案和方法。
2.2.1 接触问题求解的一般过程
接触过程通常是依赖于时间,并伴随着材料非线性和几何非线性的演化过 程。特别是接触界面的区域和形状以及接触界面上运动学和动力学的状态也是事前未知的。这些特点决定了接触问题通常采用增量方法求解。接触界面条件(不可贯入条件,法向接触力为压力的 条件和切向摩擦力的条件)都是不等式约束,也称之为单边约束。而且如前所述,接触面的范围和接触状态也是事先未知的。此特点决定了接触问题需要采用试探校核的迭代方法进行求解。
每一增量步的试探-校核过程可一般性地表达如下:
(1) 根据前一步的结果和本步给定的载荷条件,通过接触条件的检查和搜寻,假设此步第一次迭代求解时的接触面的区域和状态。
(2) 根据上述关于接触面区域和状态所作的假设,对于接触面上的每一点,将运动学或动力学上的不等式约束改为等式约束作为定解条件引入方程并进行方程的求解。
(3) 利用接触面上和上述等式约束所对应的动力学或运动学的不等式约束条件作为校核条件对解的结果进行检查。如果物体表面的每一点都不违反校核条件,则完成本步的求解并转入下一增量步的计算;否则回到步骤1再次进行搜寻和迭代求解,直至每一点的解都满足校核条件。然后再转入下一增量步的求解。
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由接触问题的特点决定了其通常要采用增量法求解,而将接触界面条件引入到求解方程的方法一般来说有两种:一种是拉格朗日乘子法;另外一种是罚函数法。而在动力学分析中罚函数法应用的更见广泛,它和拉格朗日乘子法相比较,用罚函数法引入接触界面约束条件的优点是不增加问题的自由度,可以和利用显式数值积分法求解包含惯性项的接触问题时的求解方程相协调。由于系数矩阵保持正定,在静力接触问题求解时,可以避免由于系数矩阵保持正定性可能出现的麻烦。
2.2.2 接触问题有限元方程的求解方法
非线性有限元理论中准静态问题仅是一个空间域问题,所以可以采用结构离散的有限单元法求解;而动力学问题是涉及到时间域的,应用有限元显然是不合适的,也不经济的,因此人们找到了新的方法来求解,即显示积分算法。而对于显示积分算法来说应用的最广泛的算法就是中心差分法,所以下面简要分析和总结一下中心差分法的求解原理。
中心差分法求解算法的原理如下: (1) 建立碰撞运动方程
?M??a???C??v???K??d???Fcx? ?2?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;?Fcx?为
包括碰撞力的外力向量。
x若令?Fcx???C??v???K??d?,并设?Fre???Fex???Ft?,则碰撞方程
在总体坐标系下,碰撞的运动方程可以表示为:
可以写成
?M??a???Fre? ?2?2?
(2) 中心差分积分算法
用显式方法求解碰撞运动方程,即
ai?Fim/Mi ?2?3? 然后对时间积分求得速度vi,再积分一次就会获得位移di,这里采
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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:
?vn?1/2?vn?1/2?an(?tn?1/2??tn?1/2)/2? ?2?4? ?dn?1?dn?vn?1/2?tn?1/2??t?n?1/2?(?tn?1??tn)/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。因此其广泛运用到各个有限元分析软件的求解器中。
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第3章 手机翻盖部件及跌落介绍
3.1 手机翻盖结构介绍
3.1.1 手机普通翻盖结构介绍
手机普通翻盖主要由翻盖内壳、翻盖外壳、透镜、转轴、磁铁、螺丝等组成,具体结构如图3-1所示,其中最主要的两个零件翻盖内壳和翻盖外壳的生产工艺一般是注塑,固定方式是螺丝和卡扣固定。
图3-1 手机普通翻盖结构
表3-1列出了普通翻盖结构各部件的固定方式。
表3-1 手机普通翻盖各部件固定方式 部件 翻盖内壳、外壳使用材料 翻盖内壳、外壳固定方式 受话器及受话器外壳固定方式 普通翻盖 非透明材料 螺丝和卡扣 粘胶 磁铁固定方式 19
粘胶 洛阳理工学院毕业设计(论文)
3.2 手机跌落试验标准
3.2.1自由跌落环境试验标准简介
针对手机等便携式电子产品,国际国内权威部门制定了电子产品环境适应性 测试的相关标准,对设计研发和测试提供依据,这些标准包括美国试验与材料协会(American Society for Testing and Materials ,ASTM)提供的ANSI/ASTM D3332-93“使用冲击试验机测定产品脆值的试验方法”,美国国防部的军用标 准MIL-STD-810F“环境工程考虑和试验事试验\,国际电工委员会 (International Electro technical Commission, IEC)提供的IEC68-2-27 “基本环境试验” 规程国际标准,电子工程设计发展联合会(Joint Electron Device Engineering Councils, JEDEC)提供的一系列针对手持式电子产品测试标准草案;以及其他一些机构颁布的标准。其中,美国军用标准和标准得到国际工业界的广泛采用。国内环境适应性领域的标准以环境试验方法为主,主要是GB- 2423《电工电子产品环境试验方法》。有关环境条件、环境试验设备技术条件、环境测量、数据处理分析、环境时样与环境条件的国际和行业标准主要有GB 4749,GB 4798, GB 5170, HB 6783, HB 7122, GB10586, HB 5830等。国内军用环境适应性领域的 标准也是以环境试验方法为主,如GJB 150《军用设备环境试验方法》,GJB 360, GJB548。有关环境条件的标准有GJB 1172, GJB2770, GJB 3493, GJB 1060, GJB282等。电工电子产品环境试验国家标准中对跌落环境试验作了如下规定:
试验目的:确定产品在搬运期间遭到跌落的适应性,或确定安全要求用的最低牢固等级。对于手机产品,其使用过程中发生跌落的可能性也很大。
试验条件:
(1)试验表面 试验表面应是混凝土或钢制成的平滑、坚硬的刚性表面。 (2)跌落高度 应从下列诸值中选取跌落优选高度: 25,100,500,1000mm,对于小型产品,跌落高度为1000mm。手机业界的试验标准高度为1200 mm。
(3)释放方法 应手持手机使试验样品从悬挂着的位置自由跌落。
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3.2.2 手机跌落试验工况
翻盖手机在进行跌落试验时按照其工况可以分为 12 种跌落方向,翻盖合上时的正面、背面、左面、右面、底面、顶面以及翻盖打开时的正面、背面、左面、右面、底面、顶面,如图3-3、图3-4 所示。
图3-3 翻盖合上时各面
图3-4 翻盖打开时各面
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3.2.2 初始条件的确定
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地平面的 过程,所以本文在有限元模型的下方增加一刚性地表面,让模型以一定的初始速 度撞向刚性地表面。这个初始速度为物体自由下落 1.2m 时的速度。
根据国家标准规定跌落高度优先选择 25,100,500,1000mm 等,业界的一般标准为1200mm,本文采用业界的标准。经计算得Z方向的初速度为4850mm/s。
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第4章 翻盖手机跌落数值模拟的有限元分析
4.1 有限元模型的建立
4.1.1有限元模型的建立原则
在建立手机结构有限元模型时,要根据分析的目标和实际问题,综合考虑计算精度和时间来建立仿真模型。通常来说结构模型可以分为两种:一种是简化模型,另一种是详细模型。为了能够经济、高效、准确地建立有限元模型,在模型创建过程中一般遵循以下几条基本原则:
(1) 建立的分析模型必须客观的反映真实结构系统的主要特征,否则将无法保证仿真的可信度。在开始建模前,应对整个项目的分析过程进行必要的规划。
(2) 在模型中变形结果不重要的任何部分应使用刚体,刚体可以节省大量的CPU时间,但不要用很高的不切实际的值来定义刚性体的弹性模量。
(3) 对材料或单元的性能要使用符合实际的值,对壳单元不要用不切实际的厚度值,对于材料属性、长度和时间等应使用自协调单位系统。
(4) 尽可能不用三角形/四面体/棱柱形的退化实体单元,这些形状单元在弯曲时经常很僵硬,为了得到满意的分析结果,应尽可能使用六面体单元。
(5) 无论何时都要避免使用小单元,因为它们将极大的降低时间步长。如果需要小单元,可使用质量缩放来增加极限时间步长。
4.1.2 几何模型的建立
本文所涉及的 3D 几何模型均首先在 Pro/Engineer[15-16]中完成,由于模型直接导入到Abaqus时会出现不必要的曲面,所以首先需要把Pro/Engineer 格式的文件导成 SAT 文件格式,然后再用 Abaqus进行读
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取。各个零件在 Pro/Engineer中进行了装配,所以在Abaqus中读取的文件保持了原来的装配关系,不必再重新调整各零件的相互位置。
在进行网格划分之前需要特别做的就是几何清理。虽然采用SAT格式文件的读入能避免导入一些在 Pro/engineer 生成的辅助线、辅助面等,但对于一些在几何模型中存在的圆角等却是避免的。采用Abaqus中的几何清理命令把所有不需要的圆角、窄边等都进行处理。
4.1.3 有限元网格的划分和单元类型的选择
由于手机零件众多,所以对不同零件采取不同的单元划分方式。对本文重点研究的翻盖部分,由于其形状不规则、厚度也不均匀,对其无法对其进行六面体的划分,所以采取四面体的形式来划分。同时由于高阶单元 的曲线或曲面边界能够更好的逼近结构的曲线或曲面边界,且高次插值函数可更高精度的逼近复杂场函数,因此采用十结点的二次四面体单元。考虑到大变形以及计算精度问题,翻盖采用的单元类型为 C3D10M。主机前、后壳也采用和翻盖一样的单元类型 C3D10M。LCD 上的玻璃其形状规则,所以采用六面体单元,单元类型为 C3D8R。 PCB 的形状也相对规则,也采用单元类型为 C3D8R 的六面体单元。
有限元计算的最小时间步长取决于最小单元尺寸,如果单元尺寸相差太大,将导致很小的时间步长,大大延长 CPU 的运行时间。所以在进行网格自动划分的时候,需要特别进行单元的质量控制,在保证计算精度的同时提高计算速度。根据相关项目的经验,自动网格划分的目标单元长度为 2mm,单元质量控制的标准为长度(length)大于 0.2mm,长短比(aspect)小于 8,倾斜(skew)小于 78。由于手机零件形状的复杂性,一般都需要对质量不符合标准的单元进行手动控制,以使所有的单元都符合质量标准。
图4-1是结构简化后的翻盖外壳模型的网格划分,单元划分后翻盖外壳共有11551个单元,22806个结点。
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图4-1 翻盖外壳的网格划分
4.1.4 各零部件材料的定义
前后塑料壳和键盘支架采用GE的手机塑料材质LEXAN*EXL4419,材料各参数见下表,上下金属壳和键盘钢片采用不锈钢材料。
表4-1 手机有限元模型各零部件的属性
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4.2手机翻盖跌落数值模拟分析
据历史项目经验,翻盖手机跌落时容易出现断裂的情况出现在翻盖打开状态正面、顶面、背面以及翻盖合上状态顶面、正面,但本课题只按照翻盖合上状态正面方向进行跌落仿真。
4.2.1 手机跌落数值分析
图 5-11 是翻盖合上状态正面跌落仿真的应力值, 图5-12是翻盖合上状态正面跌落仿真的应变值。从图中可以看出翻盖部分所受的最大应力是 35MPa,最大应变是 1.6%。翻盖所使用的材料为 GE EXRL0344,其许用屈服应力是 58MPa,许用屈服应变 5.8%。
图5-11 翻盖合上状态正面跌落碰撞的应力分布
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图5-12 翻盖合上状态正面跌落碰撞的应变分布
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结 论
从跌落仿真结果来看,手机翻盖结构在可能出现断裂的跌落工况上均没有超过许用屈服应力和许用屈服应变。
进一步分析仿真模型可以看到,在有限元跌落仿真中能完全保证在跌落中的方向就是预设的方向,跌落的速度是和理想的完全一致的,而且由于有限元的模型具有一致性,避免了实际试验中个体之间的差异,防止了试验结果的偶然性。 这是仿真相对试验来说的优异处。针对手机翻盖结构,在所建立的有限元模型的基础上,按照翻盖合上正面方向进行了仿真分析,验证了翻盖结构的可靠性,也确认了仿真结果的准确性。有限元模型按照最有可能出现断裂的翻盖合上正面方向进行了仿真分析,得到了在翻盖合上正面方向的最大应力和最大应变,同时也发现翻盖结构的最大应力和最大应变均没有超过许用应力和许用应变。
鉴于时间及作者知识能力的限制,本文在广度和深度上都有待于继续研究,有待于进一步完善。本案例的数据存在一定的误差,主要是因为以下两点:
(1) 由于案例的重点是怎样运用ABAQUS软件进行跌落模拟分析,因此对分析模型采用了手机后壳体约束为刚体的特殊处理方法。这在整个模型和刚性墙碰撞过程中,使得手机电池盖在与手机后壳体之间的接触区域没有缓冲,只有一方强制挤压另一方,导致手机电池盖局部接触应力过大。
(2) 本案例在进行手机电池盖的材料模型定义时,并没有考虑手机电池盖塑胶材料的塑性硬化数据的定义,塑胶材料硬化数据在塑胶材料失效分析时是很重要的(这里没有得到PC-ABS材料的具体硬化数据,故没有加入定义)。
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谢 辞
在论文完成之际,我要特别感谢我的指导老师赵秀婷老师的热情关怀和悉心指导。在我撰写论文的过程中,赵老师倾注了大量的心血和汗水,无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面,还是在论文的研究方法以及成文定稿方面,我都得到了赵老师悉心细致的教诲和无私的帮助,特别是她广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益,在此表示真诚地感谢和深深的谢意。
另外,我还要特别感谢师兄卢晨对我课题以及论文写作的指导,以及同学申松、牛恒谦对我的帮助,使我得以顺利完成论文。在论文的写作过程中,也得到了许多同学的宝贵建议和帮助,在此一并致以诚挚的谢意。感谢我的室友们,在这三年里大家互相帮助,共同进步。感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友及本文所引用文献的作者们!
最后,向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位老师和专家们表示衷心地感谢!
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附 录
INP文件及分析
***************************************************************** Heading
The drop test analysis of mobile cover
** Job name:Job-drop-test Model name:mobile_parts_model * Preprint, echo=NO,model=NO,history=NO,contact=NO **
** 定义分析模型的部件
**----------------------------------------------------------------------------------------- ** ** PARTS **
** 定义部件手机电池 * Part,nme=PART-mobile-battery * Node ??
**定义手机电池的单元类型、单元编号和节点编号(包括两种单元类型) * Element,type=C3D8R ??
* Element,type=C3D6 ??
* Elset,elset=_PickedSet9,internal,generate 54785, 56644, 1 **Region:(Section-alloy:Picked)
* Elset,elset=_PickedSet9,internal,generate 54785, 56644, 1
定义部件手机电池的材料和截面属性
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**Section:Section-alloy
*Solid Section,elset=_PickedSet9,material=Material-alloy 1, *End Part **
** 定义部件手机盖
*Part,name=PART-mobile-cover *Node ??
*Element,type=C3D10M ??
* Elset,elset=_PickedSet2,internal,generate 406622, 464601, 1 **Region:(Section- pc-abs:Picked) * Elset,elset=_PickedSet2,internal,generate 406622, 464601, 1 **Section:Section-pc-abs
*Solid Section,elset=_PickedSet2,material=Material-pc-abs 1, *End Part **
** 定义部件手机后壳体
*Part,name=PART-mobile-rear-housing *Node ??
*Element,type=C3D10M ??
* Elset,elset=_PickedSet2,internal,generate 860400, 896107, 1 **Region:( Section- pc-abs:Picked)
33
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* Elset,elset=_PickedSet2,internal,generate 860400, 896107, 1 **Section:Section-pc-abs
*Solid Section,elset=_PickedSet2,material=Material-pc-abs 1, *End Part **
** 定义部件刚性墙 *Part,name=Part-rigid-plane *Node ??
*Element,type=R3D4 ?? *Node
442, 0, 0, 0 ** 定义部件刚性墙参考点
*Nset,set=Part-rigid-plane-RefPt_,internal 442
* Elset,elset= Part-rigid-plane l,generate 1, 400, 1
** 定义部件刚性墙参考点的属性
*Element,type=MASS,eleset=_PickedSet7_Inertia-1_ 401, 442
* MASS,eleset=_PickedSet7_Inertia-1_ 1e-05, *End Part **
**----------------------------------------------------------------------------------------- **
** 定义装配件
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**ASSEMBLY **
*Assembly,name= Assembly **
**-----------------------------------------------------------------
*Instance,name=PART-mobile-battery-1,part=PART- mobile-battery *End Instance **
*Instance,name=PART-mobile-battery-1,part=PART- rigid-battery ** 实例刚性墙在装配件中定位的平移或者旋转数值 0, -0.067995, 0
0, -0.067995, 0, 1, -0.067995, 89.9999990194245 *End Instance **
*Instance,name=PART-mobile-cover-1,part=PART-mobile-cover *End Instance **
*Instance,name=PART-mobile-rear-housing-1,part=PART-mobile- rear-housing *End Instance **
**------------------------------------------------------------------- ** *Node
1, 0.000558823522, -0.0057000001, -0.00240000011 *Nset,nset= _PickedSet46,internal,instance= Part-rigid-plane-1 442
*Nset,nset= _PickedSet49,internal 1,
35
0,
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