鼠標下落測試的有限元分析

2013-06-21  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

來源:ABAQUS
關(guān)鍵字:ABAQUS 非線性工況 個人電子產(chǎn)品 鼠標 有限元

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有力顯式求解方法。

    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行點與點的連接,這種單元考慮了復(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為組成鼠標的部件。

圖1:底座

圖2:電路板、電子元件和滾輪

 
圖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)進行更詳細的分析,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)損壞的部件進行定義,或者對所有部件進行定義。同時也可以部件相對運動產(chǎn)生破壞的準則進行選擇。

圖6:撞擊瞬間等效應(yīng)力

圖7:在運動5毫秒時鼠標模型,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。

 
圖10:電子元件質(zhì)心的標示

  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的先進性使得這種加載情況很容易運用到設(shè)計過程中去。

    參考文獻

Wang,J.,C.Ho,andE.Wong,“ModelingSolderJointReliabilityofBGAPackagesSubjecttoDropImpactLoadingUsingSubmodeling,”Proceedingsofthe2002ABAQUSUsers’Conference.
Hirai,M.,M.Tanoue,M.Mukai,andY.Yokono,“SimulationofNotebookPersonalComputerDropTest,”Proceedingsofthe2001ABAQUSUsers’Conference.
Nagaraj,B.,D.Carroll,andT.Diehl,“BallDropSimulationonTwo-WayRadioLensUsingABAQUS/Explicit,”Proceedingsofthe1999ABAQUSUsers’Conference.

    ABAQUS參考資料

有關(guān)本簡報中提到的ABAQUS功能的附加信息,請參見ABAQUSV6.5文檔中的以下內(nèi)容:
AnalysisUser’sManual
“Explicitdynamicanalysis”,第6.3.3節(jié)
“Defininggeneralcontactinteractions”,第21.3.1節(jié)
“Mesh-independentfasteners”,第20.3.4節(jié)
“Meshtieconstraints”,第20.3.1節(jié)
“Outputtotheoutputdatabase”,第4.1.3節(jié)
“Massscaling”,第7.16.1節(jié)
“Solid(continuum)elements”,第14.1.1節(jié)

ExampleProblemsManual
“Kneebolsterimpactwithgeneralcontact”,第2.1.9節(jié)
“Caskdropwithfoamimpactlimiter”,第2.1.12節(jié)
“Obliqueimpactofacopperrod”,第2.1.13節(jié)

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