手机跌落仿真试验毕业论文刘泉

手机跌落仿真试验毕业论文刘泉内容摘要：

冲击是骤然的、剧烈的能量释放，能量转换和能量传递，持续时间很短，而且冲击过程一次性完成，不呈现周期性。 冲击的产生因素却有很多，不同的因素也会导致产生的冲击效果大相径庭。 在物流中运输距离越长，中转环节越多，装卸搬运次数也就越多。 特别是在人工装卸或机械装卸作业中，运输工具的启动、变速、转向、刹车等都会使包装件改变 速度，产生机械冲击现象；此外还可能由于人为因素或突发原因都可能造成对包装件的跌落冲击，像人工抛掷、堆码倒塌、起吊脱落、装载机械突然启动和过急的升降等情况。 在这些情况下，我们所研究产品受到的跌落冲击，其冲击加速度取决于跌落高度，而冲击力的大小除取决于跌落高度以外，还取决于产品的重量、跌落的姿态、冲击面的刚性等因素。 此外，在跌落冲击的模拟仿真中，除了考虑到上述因素外，我们还要考虑产品各个部件之间，以及产品与包装材料之间的接触属性等其他因素。 采用 ANSYS 的跌落模块进行仿真试验在下一章中会具体说明。 跌落试验原理及步骤 试验原理： 提起试验样品至预定高度，然后使其按预定状态自由落下，与冲击台面相撞。 试验步骤： (1) 试验样品的准备：按 GB/T 的要求准备试验样品。 (2) 试验样品各部位的编号：按 GB/T 4857． 1 的要求对试验样品各部位进行编号。 (3) 试验样品的预处理：按 GB/ 的要求，选定一种条件对试验样品进行 中北大学 2020 届毕业论文 第 6 页 共 29 页 温度预处理。 (4) 试验时的温湿度条件：试验应在与预处理相同的温度条件下进行。 如果达不到相同条件，则必须在尽可能相近的大气条件下进行试验。 (5) 试验强度值的选择：按 GB/ 规定选择试验强度值。 试验步聚 : (1) 提起试验样品至所需的跌落位置，并按预定状态将期支撑住。 其提起高度与 预定高度之差不得超过预定高度的177。 2％。 跌落高度是指准备释放时试验样品的最低点与冲击台面之间的距离。 (2) 按下列预定状态，释放试验样品。 1) 面跌落时，使试验样品的跌落面与水平面之间的夹角最大不超过 2 度。 2) 棱跌落时，使跌落的棱与水面之间的夹角最大不超过 2 度 ，试验样品上规定面与冲击台面夹角的误差不大于 177。 5。 或夹角的 10％ (以较大的数值为准 )，使试验样品的重力线通过被跌落的棱。 3) 角跌落时，试验样品上规定面与冲击台面之间的夹角误差不大于 177。 5。 或此夹角的 10％ (以较大数值为准 )，使试验样品的重力线通过被跌落的角。 4) 无论何种状态和形状和试验样品 ， 都应使试验样品的重力线通过被跌落的面、线、点。 5) 实际冲击速度与自由跌落时的冲击速度之差不超过自由跌落时的 177。 1％。 6) 试验后按有关标准或规定检查包装及内装物的损坏情况，分析试验结果。 有限元及其软件 LSDYNA 介绍 有限元方法 有限元法也叫有限单元法 [18](Finite Element Method，简称 FEM)，通过划分单元，求解有限数值来近似模拟真实情况的无限个未知量，具有精度高、适应性强及计算格式规范统一等优点，能够满足各行各业对有限元分析的需要 [19]。 有限元方法解决问题的思路就是：离散研究对象；分析得出单元刚度矩阵；形成总体刚度矩阵；移置结构载荷；引入支撑条件；求解平衡方程；计算结果整理。 在一定条件下，决定有限元方法求解精度的是单元形函数的选择及单元划分的数量。 合理的选择单元形函数及划分的数量是控制精度的重要方面。 我们在进行模拟仿真时也要着重研究单元类型的选择及其网格划分。 中北大学 2020 届毕业论文 第 7 页 共 29 页 LSDYNA 发展概况 LSDYNA 程序 [21]是一个显式非线性动力分析通用有限元程序。 DYNA 程序系列于1976 年由美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的 Hallqulst ，初期的主要目的是为武器设计提供分析工具。 后来经功能扩充和改进，该程序成为国际著名的非线性动力分析程序 [22]。 Hallquiat J． 0． 从 1988 年开始创建 LSTC 公司，进一步发展和完善了 DYNA 的研究成果，使得 LSDYNA 程序系统在国防和民用领域的应用范围进一步扩大，并建立了完备的质量保证体系。 LSDYNA 程序已被许多国际著名的航空、航天、汽车、造船和军工大型企业所采用 [23]。 现已广泛应用于高速碰撞模拟 (如汽车碰撞事故引起结构的动力响应和破坏 )、乘客的安全性分析 (气囊与假人相互的动力作用、安全带的可靠性分析 )、金属成型 (物料的滚压、挤压、挤拉和超塑成型、薄板的冲压成型 )、爆炸载荷对结构作用的动力响应分析、高速弹丸对靶板的穿甲数值模拟、机械零部件碰撞的动力分析、电子产品的跌落分析等 [24]。 LSDYNA 分 析能力 LSDYNA 971 是最新的功能齐全的非线性分析程序包，它可以处理各类复杂的非线性问题。 其显式算法特别适合于分析各类冲击、爆炸、结构撞击等动态非线性问题。 其算法特点是以 Lagrange 为主。 此外， LSDYNA 具有丰富的单元库，具有二维、三维实体单元 ， 薄、厚壳 单元， SPH 单元以及其他特殊用途的单元等 [25]。 各种单元类型又有多种算法可供选择，具有对任意大位移、大转动以及大应变的分析能力。 单元积分采用单点减缩积分算法，引入沙漏粘性阻力以克服零能模式，计算速度快，可以用于模拟各种实体结构、板壳结构等。 LSDYNA 程序目前有 140 多种金属和非金属材料模型可供选择，这也为我们更好的进行模拟提供了重要的模型参数 [26]。 本章小结 电子产品跌落是电子产品在极短的时间内，受到碰撞动态载荷作用而产生的复杂非线性动态响应过程。 手机跌落时，除了具有几何非线性和材料非线性以外，还有接触界面的非线性等问题。 因此，对手机跌落碰撞的过程进行仿真，得到碰撞瞬间的应力历程数值，一般都采用显式积分的求解算法。 而 ANSYS/LSDYNA 广泛应用于很多工业领域包括电子产品的跌落分析，解决了很多理论分析和实验不容易解决的问 题，有力的促进了行业技术发展，产生了深远的影响。 电子产品特别是手机市场竞争日趋激烈，为了获得市场，各电子产品制造商争相缩短产品的研发周期。 其中运用有限元软件对电子产中北大学 2020 届毕业论文 第 8 页 共 29 页 品进行相关性能的分析已成为普遍手段。 高效地利用有限元软件也是加快产品研发周期的手段之一。 我们利用 ANSYS/LSDYNA 程序的 Drop Test Module(DTM)模块来对电子产品来进行跌落的仿真试验，并通过后处理程序观察到整个跌落过程中产品受到的应力及变形等的情况，可以节约试样制作和试验成本，缩短产品的开发周期。 此外，我们还应该明确：仿真的重点和难点在于模型的有限元离散，多数有限元分析软件虽然都有网格自动生成功能，但在实际使用中尤其是遇到复杂结构时总会遇到这样和那样的困难，离散的方法不是一层不变的，它是一个慢慢的经验积累的过程。 此外，我们在仿真的单元类型的选择、网格划分和接触设置等问题上还应特别注意，比如单元大小应该尽量均匀等，尽量避免在求解时出现问题或者是造成模拟结果的错误。 中北大学 2020 届毕业论文 第 9 页 共 29 页 3 手机跌落过程的仿真模拟 手机结构及建立手机模型 本课题使用机型尺寸为 60 120mm，厚度为 10mm，重量为 150g，和目前主流的尺寸接近 ,结构也使用较常规的结构，有比较强的代表性。 本机型使用的是 英寸的电容式触摸屏，厚度 2mm，结构是表层钢化玻璃 +电容感应片玻璃，触摸屏使用 厚度的双面胶紧密的粘贴在塑料前壳上。 LCD 模组主要结构是液晶玻璃加背光板支架。 主板部分由 PCB 板、贴片的电子器件以及部分金属屏蔽罩构成。 后壳和前壳以及电池盖由强度较高的工程塑料构成。 仿真所涉及的 3D 模型在 ANSYS 中完成，首先要在 ANSYS 软件中对手机整体进行简化。 简化主板结构，去除 PCB 表面的电子元件。 因为需要重点考察的是屏幕侧前半部分的失效变形，不考虑前后壳卡扣以及电池盖卡扣的受力情况，所以对前后壳之间的连接、后壳和电池盖之间的连接都进行了简化。 (1) 由于 CAE 和 CAD 存在的本质区别，很多加工工艺上需要的过渡圆角、小孔以及尖锐的曲面过渡的存在都会增加有限元建模的难度，影响单元质量，对于用于碰撞计算的显式有限元模型，这个问题尤其突出。 故建模时我们删除了手机模型中一些细小的特征，如半径较小的倒角和圆角特征； (2) 删除对 CAE 模拟影响不大的产品特征，如手机线路板上的凸台、无关的卡口等； (3) 简化了对跌落影响不是很大的一些圆孔、凹槽等特征。 对模型进行合理的简化处理，不仅可以提高计算效率，而且有利于网格划分时保证模型质量。 对模型特征的处理需要灵活掌握，如果遇到多个位置形状类似的特征，可以只保留一个进行分析；模型中对跌落影响较小的圆弧特征、坡度较小的斜面特征可以用直线和平面代替。 事实也证明：过多的细小和复杂的特征只会使计算量变大，增加分析难度，有时候不但对分析精度没有帮助，反而容易使计算出错。 最后为了降低整个模拟试验的难度，同时考虑到目前智能手机全屏化，一体化的趋势，把本实验所用模 型简化为两个部分，手机屏幕以及壳体，在建模的过程中，为了便于处理，将屏幕简化为长方形壳体，最后把两个课题耦合到一块，即为本实验所用模型。 中北大学 2020 届毕业论文 第 10 页 共 29 页 通过选择菜单项 Main menuPreprocessorModelingCreateVolumesBlockBy Dimensions，弹出对话框，输入尺寸示意图为。 在此将屏幕部分厚度设置为 2mm，手机主体部分设置为 8mm。 图 简化模型 示意图。 图 输入尺寸 图 手机屏幕简化模型 中北大学 2020 届毕业论文 第 11 页 共 29 页 图 手机主体简化模型 建立好两个壳体模型之后，实施布尔运算将两部分耦合起来，组成本实验所用手机模型，步骤为：选择菜单项 Main MenuPreprocessorModelingOperate BooleansGlue Volume，选择好之前建立的图形，完成耦合操作，得到完整手机模型如图 所示。 图 耦合之后手机模型 中北大学 2020 届毕业论文 第 12 页 共 29 页 手机模型参数设置 参数设置具体可分为规划分析、单元属性设置、构建实体模型。 其中合理的规划分析对于有限元分析的精度、计算费用等有着直接的影响。 指定单元类型 单元类型的选择要考虑到模拟产品的材料性质，以及要对产品进行的分析类型，此外还要考虑单元类型的性质特点、算法以及该单元类型能够适用于的分析类型等，因而选择合适的单元类型对模拟的结果非常重要。 对于本次跌落试验的手机产品来说，其壳壁都较薄，厚度一般在 1 mm左右，甚至更薄一些。 为了使离散结果更接近于真实化，可采用充分小实体 SOLIDl64 单。