手机跌落仿真试验本科毕业设计.docx
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1、中北大学2014届毕业论文手机跌落仿真试验摘要 本论文采用ANSYS/LS-DYNA中的DTM跌落模块对手机进行了跌落模拟。在模拟仿真中,首先在软件中建立了手机模型,然后通过有限元软件ANSYS/LS-DANA模拟了不同高度的手机跌落过程,得到了产品的应力、应变等动态特性,通过得到的数据,分析了跌落过程中手机的动态特性跌落冲击过程中,应力、应变等情况的变化,发现手机受到跌落冲击时的薄弱或易损位置在跌落接触点处,并提出加装保护外壳或者改进材料性能的改进方案或手段。该结论对合理设计手机结构、包装手机及安全流通和使用提供技术支持。关键词:跌落,有限元,ANSYS模拟,手机Telephone drop
2、 simulation testABSTRACTIn this paper, we use the DTM fall Analog modules of ANSYS/LS-DYNA simulating the process. In the simulation experiments we first make a model of mobile telephone, then use the finite element software ANSYS/LS-DYNA simulate the drop experiment about different heights, and the
3、 dynamic characteristics of the product of stress, strain, etc. through the obtained data, We can analysis the fall Dynamic characteristics of mobile phones - changing the course of drop impact, stress, strain, etc., and Weak or vulnerable position found the phone being dropped in shock when dropped
4、 at the contact point, and proposed the installation of the protective housing or improved material performance improvement program or means. This conclusion is reasonable structural to design mobile phones, safe packaging circulation It is also useful to provide technical support.Keywords:Drop,FEM,
5、ANSYS Simulate,Mobile Telephone目录引言11.1 课题研究的意义11.2 国内外发展研究状况11.2.1 国内研究发展状况11.2.2 国外研究发展状况31.3 本文的研究内容41.4 本文采用的方法42 跌落及软件介绍42.1 跌落相关42.1.1 跌落试验的目的42.1.2 跌落影响因素及选择52.1.3 跌落试验原理及步骤52.2 有限元及其软件LS-DYNA介绍62.2.1 有限元方法62.2.2 LS-DYNA发展概况62.3.2 LS-DYNA分析能力72.4 本章小结73 手机跌落过程的仿真模拟83.1 手机结构及建立手机模型83.2 手机模型参数设
6、置123.2.1 指定单元类型123.2.2 创建实常数133.2.3 材料属性的定义133.3 网格划分、定义约束、施加载荷和其它设置153.3.1 网格划分153.3.2 定义约束163.3.3 跌落设置183.4 求解以及结果分析203.4.1 求解203.4.2 不同高度跌落模拟对比243.5 本章小结254 结论与展望254.1 结论264.2 展望26参考文献27致谢29第页 共页引言1.1课题研究的意义在手机流通运输过程中,必然会受一些外部条件的影响,同时在消费者使用手机的过程中也可能会因为某些原因而发生跌落或者碰撞冲击,这些撞击会使手机的运动状态在极短时间内发生急剧的变化,从而
7、可能导致手机的损坏。对于易损,高精度的手机来说,在流通过程中如果没有合理的包装,就会出现很高的破损率,这对于生产厂家和个人消费者来说都是相当不愿意看到的,造成的经济损失不言而喻。据统计,跌落冲击是各种冲击环境中最为强烈的,而由此引发的损害也是手机在运输,使用过程中的最主要失效形式。为了便于装卸、运输和储存,也为了避免在产品受到冲击降低或丧失其使用价值,对产品受到冲击后的反应研究也就很有必要,以通过它对产品进行合理的包装,最大限度的保证产品的安全。由于跌落作用的时间非常短,实验操作也不易控制,而测量到的物理量也非常有限,但随着计算机软件和硬件技术的发展应用,许多仿真软件被用来解决这一问题。在产品
8、设计阶段进行模拟分析,可以直观动态的演示整个跌落过程以及各种物理量的变化,得到比实验更为精准,全面的数值数据。且仿真实验费用低,时间短,建模时间相对于制造样品大大缩短,同时开发的经验可以作为新的技术对于以后的设计可以起到避免走弯路和加快开发的作用。在这样的大背景下,手机跌落仿真实验就变得很有必要且很有意义。通过仿真实验模拟得到的数据。结合不同工艺参数,设计出合理的产品结构以及包装,可以对手机的安全流通以及使用提供一个技术支持。1.2 国内外发展研究状况1.2.1 国内研究发展状况2003年,李鹏忠,张为民等人1采用CA E技术仿真手机环境的自由跌落响应,基于I-DEAS软件系统,采用了针对此类
9、复杂结构的离散化方法-分区法,成功地进行了手机装配体有限元网络划分。并对手机自由跌落试验后的响应进行了仿真,然后对仿真结果进行了分析。第1页 共29页2004年,李在伟,梁新华2应用LS-DYNA的结构动力分析功能,分析了一手机结构从1.5m高处跌落到地面时的结构响应。演示了不同时间手机外壳的应力变化情况。另外还提取了外壳上最大加速度所在位置的加速度和应力曲线,为结构优化提供依据。2007年,薛澄岐,祖景平3运用HyperMesh和LS-DYNA软件仿真手机自由跌落,利用CAE工具深入分析有无圆角半径和不同尺寸圆角半径的设计对手机壳体强度的影响,对仿真结果数据进行客观对比和分析,从动力学角度得
10、出手机壳体圆角半径设计的参考数据。2007年,俞璐,薛澄岐,祖景平4利用HyperMesh/LS-DYNA有限元分析软件对一手机壳体模型实现了由Pr0/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。2007年,张伟国5以数字化手机模型为分析对象,建立手机结构跌落冲击动力学分析的有限元模型。通过对手机模型的不同跌落方向、不同跌落高度和不同阻尼值的数值模拟,分析了手机跌落的响应规律和可能的失效形式,从中发现结构设计上的薄弱环节,为设计阶段的改进或优化提供了依据。根据结构冲击动力学的仿真研究,对跌落冲击的一般规律及阻尼对跌落冲击
11、响应的影响进行了总结。2009年,沈健,张建武6运用HyperMesh和ABAQUS软件进行手机跌落仿真,得到手机超薄透明翻盖在不同工况跌落时的应力应变情况,通过与许用应力应变比较,分析翻盖在跌落时的可靠性,并与实际的手机跌落试验进行比较,验证了仿真分析的准确性,并确认了透明翻盖结构设计的合理性。2009年,彭必友,谢佳斌等人7提出可在产品设计阶段建立其有限元模型,通过模拟仿真分析得到产品各个零部件在跌落过程中的跌落响应和易产生缺陷的部位。同时结合某款直板手机,研究了跌落对手机外壳、屏幕等零部件的影响,并提出了改善措施。2009年,段良8进行了手机的跌落试验,然后利用CAD软件制作了该手机的模
12、型,最后在分析和总结前人跌落模拟仿真的研究成果的基础上,总结了在ANSYS中进行跌落模拟的CAE分析方法及步骤,运用有限元软件ANSYS中的DTM模块对手机模型进行了跌落试验模拟。2009年,沈健9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。结合实际情况,通过对手机透明翻盖的结构分析,利用有限元软件进行仿真,结合实际的跌落试验,对结构跌落时的碰撞动力学进行了较系统的研究,得出了一种用仿真结合试验的方法解决跌落冲击问题的思路和方法。2010年,周鑫美,谢然10通过对某一手机数学模型进行的跌落碰撞仿真研究,探讨了利用有限元软件进行手机跌落碰撞仿真
13、的建模及分析方法。结合某款翻盖手机,在LS-DYNA环境中,对其跌落试验进行了数值仿真分析,研究了碰撞力对该机外壳、屏幕和电路板等元器件的影响,预测了该机的设计缺陷,并提出了相应的优化方案。2011年,杨学林11通过在智能手机产品研发的初期利用ANSYS/LS-DYNA 的结构动力分析功能进行仿真,清晰地展示产品在跌落过程中各结构部件所受的应力和应力分布,尤其是结构强度比较低的关键部件的应力及分布情况。2012年,吴剑12运用 ANSYS/LS-DYNA软件对其进行模拟跌落仿真,得到手机触摸屏和LCD在不同工况跌落时的应力情况,通过对比分析优化设计的可行性,并与实际的手机跌落试验进行比较,验证
14、了仿真分析的准确性。1.2.2 国外研究发展状况1998年,Jason Wu,Guoshu Song13利用有限元方法研究了便携式通信设备遭受撞击的情况,并用HYPERMESH和LS-DYNA对摩托罗拉的产品进行模拟仿真试验,得到了其容易损伤的原因和易发生损坏的部位。通过跌落试验和模拟的对比分析,用测试的数据加以说明,证实了仿真和测试技术应用的可靠性和对设计支持具有重大意义。2001年,K.H.Low,Yuqi Wang14在跌落冲击模拟中使用了虚拟边界概念的有效的方法。通过对电视机模型进行跌落的模拟分析,阐述了虚拟边界法的可靠性和它的优势。2005年,新加坡的Y.Y.Wang,C.Lu等人1
15、5研究了跌落模拟的可靠性,通过对电视机、外套、组装设备等进行有效的建模和选择正确的仿真方法的实例,说明了应用有限元法的虚拟产品开发,并评价了模拟对研究跌落的重要意义。2011年,Hwan,Chung-Li,Lin等人16利用ANSYS软件对手机的易碎点进行了跌落模拟分析,找出了手机往往是从中部开裂这一事实,同时利用仿真软件测试其改良方案。2011年,Karen E. Jackson and Edwin L. Fasanella等人17利用ANSYS软件对飞机进行了仿真模拟,找出飞机飞行过程中的各种隐患。总之,国内外对于仿真实验在手机的跌落环境中的应用已经变得相当普遍,研究者普遍采用ANSYS等
16、仿真软件对手机进行跌落的安全仿真实验,结合有限元方法的使用,虽然出发点略有不同,但是最终很方便的解决了许多依靠物理实验很难解决的问题。未来针对手机大屏幕化,智能化这一特点,仿真实验还将继续活跃在这一领域。1.3 本课题研究内容(1) 手机收到跌落冲击过程中,应力,应变等情况的变化;(2) 找到手机受到跌落冲击时的薄弱或易损位置;(3) 提出改进方案或手段。1.4 本课题拟采用的方法解决非线性问题最有效有限元法。(1) 选用ANSYS软件的绘图功能建立手机简化模型;(2) 利用有限元软件ANSYS对建立起的手机包装件模型进行处理,并利用其LS- DYNA 下的Drop Test Modulo(D
17、TM)模块对手机的跌落试验进行模拟仿真;(3) 分析模拟结果进而对其进行总结找出所需数据。2 跌落及软件介绍2.1 跌落相关2.1.1 跌落试验的目的(1) 通过一种加速寿命的测试方法,测试产品的使用寿命及产品发生破坏模式;(2) 通过模拟产品在使用过程中所受的冲击,观察产品关键部位的响应,依次推断产生破坏的机理和可能的改进方案。同时,跌落试验也是一种产品能否通过行业标准的一个必要的检测实验。2.1.2 跌落影响因素及选择冲击是骤然的、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
18、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
19、进行仿真试验在下一章中会具体说明。2.1.3 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 4857.17的要求准备试验样品。(2) 试验样品各部位的编号:按GB/T 48571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/T4857.2的要求,选定一种条件对试验样品进行温度预处理。(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/T4857.18规定选择试验强度值。试验
20、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
21、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。2.2 有限元及其软件LS-DYNA介绍2.2.1 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
22、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。2.2.2 LS-DYNA发展概况LS-DYNA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 J.0.博士主持开发完成,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 J0从1988年开始创建LSTC公司,进一步发
23、展和完善了DYNA的研究成果,使得LS-DYNA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。LS-DYNA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。2.3.2 LS-DYNA分析能力LS-DYNA 971是最新的功能齐全的非线性
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