手机跌落仿真试验毕业论文.docx
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手机跌落仿真试验毕业论文
手机跌落仿真试验毕业论文
引言1
1.1课题研究的意义1
1.2国外发展研究状况1
1.2.1国研究发展状况1
1.2.2国外研究发展状况3
1.3本文的研究容4
1.4本文采用的方法4
2跌落及软件介绍4
2.1跌落相关4
2.1.1跌落试验的目的4
2.1.2跌落影响因素及选择5
2.1.3跌落试验原理及步骤5
2.2有限元及其软件LS-DYNA介绍6
2.2.1有限元方法6
2.2.2LS-DYNA发展概况6
2.3.2LS-DYNA分析能力7
2.4本章小结7
3手机跌落过程的仿真模拟8
3.1手机结构及建立手机模型8
3.2手机模型参数设置12
3.2.1指定单元类型12
3.2.2创建实常数13
3.2.3材料属性的定义13
3.3网格划分、定义约束、施加载荷和其它设置15
3.3.1网格划分15
3.3.2定义约束16
3.3.3跌落设置18
3.4求解以及结果分析20
3.4.1求解20
3.4.2不同高度跌落模拟对比24
3.5本章小结25
4结论与展望25
4.1结论26
4.2展望26
参考文献27
致谢29
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发生急剧的变化，从而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国外发展研究状况
1.2.1国研究发展状况
2003年，鹏忠，为民等人[1]采用CAE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。
2004年，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，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响应的影响进行了总结。
2009年，健，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,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,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，验证了仿真分析的准确性。
1.2.2国外研究发展状况
1998年，JasonWu，GuoshuSong[13]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，YuqiWang[14]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[15]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，KarenE.JacksonandEdwinL.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DropTestModulo（DTM）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。
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/T4857.17的要求准备试验样品。
（2）试验样品各部位的编号：
按GB/T4857．1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/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]（FiniteElementMethod，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。
2.2.2LS-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HallqulstJ.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]。
HallquiatJ．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LS-DYNA程序系统在国防和民用领域的应用围进一步扩大，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]。
2.3.2LS-DYNA分析能力
LS-DYNA971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，LS-DYNA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。
LS-DYNA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]。
2.4本章小结
电子产品跌落是电子产品在极短的时间，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/LS-DYNA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/LS-DYNA程序的DropTestModule（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。
3手机跌落过程的仿真模拟
3.1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4.3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0.17mm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。
通过选择菜单项Mainmenu>Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Block>ByDimensions，弹出对话框，输入尺寸示意图为3.1。
在此将屏幕部分厚度设置为2mm，手机主体部分设置为8mm。
图3.2和图3.3分别为手机屏幕和主体部分简化模型示意图。
图3.1输入尺寸
图3.2手机屏幕简化模型
图3.3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MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Glue>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3.4所示。
图3.4耦合之后手机模型
3.2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。
3.2.1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1mm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单元，但是这种离散的结果是直接导致计算处理时间成几何级数上升，因此应找到平衡点，使得离散结果接近真实化，而又不浪费资源。
在对手机外壳的处理过程中，我们用面代替壳体。
我们为手机外壳选择SHELLl63单元，除了是因为手机壳比较薄以外，还考虑到该单元的自身特点及其算法等问题。
SHELLl63是一个4节点单元，有弯曲和膜特征；可加平面和法向载荷；单元在每个节点上有12个自由度：
在节点x，y和z方向的平动，加速度，速度和绕x，y和z轴的转动。
此单元只用于显示动力学分析。
同样的，为手机屏幕也选择SHELLl63单元。
选择菜单项Mainmenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete,在弹出的ElementType对话框中，单机ADD按钮，出现LibraryofElementTypes对话框，如图3.5所示。
图3.5选择单元类型
3.2.2创建实常数
选择菜单项Mainmenu>Preprocessor>RealConstants对话框中，单击Add按钮，按图3.6输入。
图3.6创建实常数
本次模拟所用手机模型分为屏幕和手机主体，均选用SHELL163，各自参数设置见表3.1。
表3.1SHELL163的设置
项目
剪切因子SHRF
积分点数NIP
壳厚
手机壳
5/6
3
0.75
屏幕
5/6
3
0.5
3.2.3材料属性的定义
由于材料的性能参数不易查找，而且很多参数在其他资料中出现的也比较少，这给我们的查找参数工作带来很多困难。
当然有些性能参数我们也可以借鉴他人模拟时选用的或者是相近材料的性能参数。
不可否认的是模型材料的属性将会在很大程度上决定模拟的结果。
在本次跌落模拟试验中，我们主要选用了一种材料模型，均使用的双线性随动硬化BilinearKinematicHardening材料模型，但其具体参数各不相同；它们的具体参数的如表3.2所示。
表3.2各部材料参数
项目参数
材料质量密度DENS（kg/m3）
弹性模量EX（MPa）
泊松比
NUXY
屈服强度YieldStress（MPa）
正切模数TangentModulus（MPa）
手机外壳
1710
17200
0.35
228
5000
屏幕
1640
10500
0.30
125
1000
实物手机壳体材料一般为PC/ABS塑料，屏幕的材料属性是按照LCD屏幕设置的。
在跌落试验的国家标准中规定物理跌落试验的跌落平台表面应是混凝土或钢制成的平滑、坚硬的刚性表面，而且至少为跌落产品重量的50倍以上，故我们将跌落平台的材料属性设置为刚性材料模型，以确保该跌落试验能够满足跌落试验标准的要求。
采用弹塑性双线性材料模型。
选择菜单项MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels，在DefineMaterialModelBehavior对话框窗口的右侧，依次双击LS-DYNA，Nonlinear，Inelastic，Isotropic，BilinearIsotropic。
在出现的材料参数框中输入相关参数，如图3.7和图3.8所示。
图3.7定义材料属性
图3.8输入材料属性
完成后，单击OK按钮，返回并关闭此界面，回到图形用户界面，完成材料模型的定义。
3.3网格划分、定义约束、施加载荷和其它设置
3.3.1网格划分
有限元法的基本思想就是把复杂的形体拆分为若干个形状简单的单元，利用单元节点变量对单元部变量进行插值来实现对总体结构的分析，将连续体进行离散化即称网格划分，离散而成的有限元集合将替代原来的弹性连续体，所
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