手機跌落仿真試驗畢業論文目錄引言 11.1課題研究的意義 11.2國外發展研究狀況 11.2.1國研究發展狀況 11.2.2國外研究發展狀況 31.3本文的研究容 41.4本文采用的方法 42跌落及軟件介紹 42.1跌落相關 42.1.1跌落試驗的目的 42.1.2跌落影響因素及選擇 52.1.3跌落試驗原理及步驟 52.2有限元及其軟件LS-DYNA介紹 62.2.1有限元方法 62.2.2LS-DYNA發展概況 62.3.2LS-DYNA分析能力 72.4本章小結 73手機跌落過程的仿真模擬 83.1手機結構及建立手機模型 83.2手機模型參數設置 123.2.1指定單元類型 123.2.2創建實常數 133.2.3材料屬性的定義 133.3網格劃分、定義約束、施加載荷和其它設置 153.3.1網格劃分 153.3.2定義約束 163.3.3跌落設置 183.4求解以及結果分析 203.4.1求解 203.4.2不同高度跌落模擬對比 243.5本章小結 254結論與展望 254.1結論 264.2展望 26參考文獻 27致謝 29引言1.1課題研究的意義在手機流通運輸過程中，必然會受一些外部條件的影響，同時在消費者使用手機的過程中也可能會因為某些原因而發生跌落或者碰撞沖擊，這些撞擊會使手機的運動狀態在極短時間發生急劇的變化，從而可能導致手機的損壞。對于易損，高精度的手機來說，在流通過程中如果沒有合理的包裝，就會出現很高的破損率，這對于生產廠家和個人消費者來說都是相當不愿意看到的，造成的經濟損失不言而喻。據統計，跌落沖擊是各種沖擊環境中最為強烈的，而由此引發的損害也是手機在運輸，使用過程中的最主要失效形式。為了便于裝卸、運輸和儲存，也為了避免在產品受到沖擊降低或喪失其使用價值，對產品受到沖擊后的反應研究也就很有必要，以通過它對產品進行合理的包裝，最大限度的保證產品的安全。由于跌落作用的時間非常短，實驗操作也不易控制，而測量到的物理量也非常有限，但隨著計算機軟件和硬件技術的發展應用，許多仿真軟件被用來解決這一問題。在產品設計階段進行模擬分析，可以直觀動態的演示整個跌落過程以及各種物理量的變化，得到比實驗更為精準，全面的數值數據。且仿真實驗費用低，時間短，建模時間相對于制造樣品大大縮短，同時開發的經驗可以作為新的技術對于以后的設計可以起到避免走彎路和加快開發的作用。在這樣的大背景下，手機跌落仿真實驗就變得很有必要且很有意義。通過仿真實驗模擬得到的數據。結合不同工藝參數，設計出合理的產品結構以及包裝，可以對手機的安全流通以及使用提供一個技術支持。1.2國外發展研究狀況1.2.1國研究發展狀況2003年，鵬忠，為民等人[1]采用CAE技術仿真手機環境的自由跌落響應，基于I-DEAS軟件系統，采用了針對此類復雜結構的離散化方法-分區法，成功地進行了手機裝配體有限元網絡劃分。并對手機自由跌落試驗后的響應進行了仿真，然后對仿真結果進行了分析。2004年，在偉，梁新華[2]應用LS-DYNA的結構動力分析功能，分析了一手機結構從1.5m高處跌落到地面時的結構響應。演示了不同時間手機外殼的應力變化情況。另外還提取了外殼上最大加速度所在位置的加速度和應力曲線，為結構優化提供依據。2007年，薛澄岐，祖景平[3]運用HyperMesh和LS-DYNA軟件仿真手機自由跌落，利用CAE工具深入分析有無圓角半徑和不同尺寸圓角半徑的設計對手機殼體強度的影響，對仿真結果數據進行客觀對比和分析，從動力學角度得出手機殼體圓角半徑設計的參考數據。2007年，俞璐，薛澄岐，祖景平[4]利用HyperMesh/LS-DYNA有限元分析軟件對一手機殼體模型實現了由Pr0/ENGINEER模型導入，并分析手機跌落模擬仿真過程中手機電池蓋是否同手機主體脫離，是否導致電池裸露而使整體設計失敗。2007年，偉國[5]以數字化手機模型為分析對象，建立手機結構跌落沖擊動力學分析的有限元模型。通過對手機模型的不同跌落方向、不同跌落高度和不同阻尼值的數值模擬，分析了手機跌落的響應規律和可能的失效形式，從中發現結構設計上的薄弱環節，為設計階段的改進或優化提供了依據。根據結構沖擊動力學的仿真研究，對跌落沖擊的一般規律及阻尼對跌落沖擊響應的影響進行了總結。2009年，健，建武[6]運用HyperMesh和ABAQUS軟件進行手機跌落仿真，得到手機超薄透明翻蓋在不同工況跌落時的應力應變情況，通過與許用應力應變比較，分析翻蓋在跌落時的可靠性，并與實際的手機跌落試驗進行比較，驗證了仿真分析的準確性，并確認了透明翻蓋結構設計的合理性。2009年,彭必友，謝佳斌等人[7]提出可在產品設計階段建立其有限元模型，通過模擬仿真分析得到產品各個零部件在跌落過程中的跌落響應和易產生缺陷的部位。同時結合某款直板手機，研究了跌落對手機外殼、屏幕等零部件的影響，并提出了改善措施。2009年,段良[8]進行了手機的跌落試驗，然后利用CAD軟件制作了該手機的模型，最后在分析和總結前人跌落模擬仿真的研究成果的基礎上，總結了在ANSYS中進行跌落模擬的CAE分析方法及步驟，運用有限元軟件ANSYS中的DTM模塊對手機模型進行了跌落試驗模擬。2009年,健[9]將接觸動力學的基本方程和有限元建模方法相結合，提出了復雜結構在跌落沖擊載荷作用下的數值模擬方法。結合實際情況，通過對手機透明翻蓋的結構分析，利用有限元軟件進行仿真，結合實際的跌落試驗，對結構跌落時的碰撞動力學進行了較系統的研究，得出了一種用仿真結合試驗的方法解決跌落沖擊問題的思路和方法。2010年,周鑫美，謝然[10]通過對某一手機數學模型進行的跌落碰撞仿真研究，探討了利用有限元軟件進行手機跌落碰撞仿真的建模及分析方法。結合某款翻蓋手機，在LS-DYNA環境中，對其跌落試驗進行了數值仿真分析，研究了碰撞力對該機外殼、屏幕和電路板等元器件的影響，預測了該機的設計缺陷，并提出了相應的優化方案。2011年,學林[11]通過在智能手機產品研發的初期利用ANSYS/LS-DYNA的結構動力分析功能進行仿真，清晰地展示產品在跌落過程中各結構部件所受的應力和應力分布，尤其是結構強度比較低的關鍵部件的應力及分布情況。2012年,吳劍[12]運用ANSYS/LS-DYNA軟件對其進行模擬跌落仿真，得到手機觸摸屏和LCD在不同工況跌落時的應力情況，通過對比分析優化設計的可行性，并與實際的手機跌落試驗進行比較，驗證了仿真分析的準確性。1.2.2國外研究發展狀況1998年，JasonWu，GuoshuSong[13]利用有限元方法研究了便攜式通信設備遭受撞擊的情況，并用HYPERMESH和LS-DYNA對摩托羅拉的產品進行模擬仿真試驗，得到了其容易損傷的原因和易發生損壞的部位。通過跌落試驗和模擬的對比分析，用測試的數據加以說明，證實了仿真和測試技術應用的可靠性和對設計支持具有重大意義。2001年，K.H.Low，YuqiWang[14]在跌落沖擊模擬中使用了虛擬邊界概念的有效的方法。通過對電視機模型進行跌落的模擬分析，闡述了虛擬邊界法的可靠性和它的優勢。2005年，新加坡的Y.Y.Wang，C.Lu等人[15]研究了跌落模擬的可靠性，通過對電視機、外套、組裝設備等進行有效的建模和選擇正確的仿真方法的實例，說明了應用有限元法的虛擬產品開發，并評價了模擬對研究跌落的重要意義。2011年，Hwan，Chung-Li，Lin等人[16]利用ANSYS軟件對手機的易碎點進行了跌落模擬分析，找出了手機往往是從中部開裂這一事實，同時利用仿真軟件測試其改良方案。2011年，KarenE.JacksonandEdwinL.Fasanella等人[17]利用ANSYS軟件對飛機進行了仿真模擬，找出飛機飛行過程中的各種隱患。總之，國外對于仿真實驗在手機的跌落環境中的應用已經變得相當普遍，研究者普遍采用ANSYS等仿真軟件對手機進行跌落的安全仿真實驗，結合有限元方法的使用，雖然出發點略有不同，但是最終很方便的解決了許多依靠物理實驗很難解決的問題。未來針對手機大屏幕化，智能化這一特點，仿真實驗還將繼續活躍在這一領域。1.3本課題研究容(1)手機收到跌落沖擊過程中，應力，應變等情況的變化；(2)找到手機受到跌落沖擊時的薄弱或易損位置；(3)提出改進方案或手段。1.4本課題擬采用的方法解決非線性問題最有效——有限元法。(1)選用ANSYS軟件的繪圖功能建立手機簡化模型；(2)利用有限元軟件ANSYS對建立起的手機包裝件模型進行處理，并利用其LS-DYNA下的DropTestModulo(DTM)模塊對手機的跌落試驗進行模擬仿真；(3)分析模擬結果進而對其進行總結找出所需數據。2跌落及軟件介紹2.1跌落相關2.1.1跌落試驗的目的(1)通過一種加速壽命的測試方法，測試產品的使用壽命及產品發生破壞模式；(2)通過模擬產品在使用過程中所受的沖擊，觀察產品關鍵部位的響應，依次推斷產生破壞的機理和可能的改進方案。同時，跌落試驗也是一種產品能否通過行業標準的一個必要的檢測實驗。2.1.2跌落影響因素及選擇沖擊是驟然的、劇烈的能量釋放，能量轉換和能量傳遞，持續時間很短，而且沖擊過程一次性完成，不呈現周期性。沖擊的產生因素卻有很多，不同的因素也會導致產生的沖擊效果大相徑庭。在物流中運輸距離越長，中轉環節越多，裝卸搬運次數也就越多。特別是在人工裝卸或機械裝卸作業中，運輸工具的啟動、變速、轉向、剎車等都會使包裝件改變速度，產生機械沖擊現象；此外還可能由于人為因素或突發原因都可能造成對包裝件的跌落沖擊，像人工拋擲、堆碼倒塌、起吊脫落、裝載機械突然啟動和過急的升降等情況。在這些情況下，我們所研究產品受到的跌落沖擊，其沖擊加速度取決于跌落高度，而沖擊力的大小除取決于跌落高度以外，還取決于產品的重量、跌落的姿態、沖擊面的剛性等因素。此外，在跌落沖擊的模擬仿真中，除了考慮到上述因素外，我們還要考慮產品各個部件之間，以及產品與包裝材料之間的接觸屬性等其他因素。采用ANSYS的跌落模塊進行仿真試驗在下一章中會具體說明。2.1.3跌落試驗原理及步驟試驗原理：提起試驗樣品至預定高度，然后使其按預定狀態自由落下，與沖擊臺面相撞。試驗步驟：(1)試驗樣品的準備：按GB/T4857.17的要求準備試驗樣品。(2)試驗樣品各部位的編號：按GB/T4857．1的要求對試驗樣品各部位進行編號。(3)試驗樣品的預處理：按GB/T4857.2的要求，選定一種條件對試驗樣品進行溫度預處理。(4)試驗時的溫濕度條件：試驗應在與預處理相同的溫度條件下進行。如果達不到相同條件，則必須在盡可能相近的大氣條件下進行試驗。(5)試驗強度值的選擇：按GB/T4857.18規定選擇試驗強度值。試驗步聚:提起試驗樣品至所需的跌落位置，并按預定狀態將期支撐住。其提起高度與預定高度之差不得超過預定高度的±2％。跌落高度是指準備釋放時試驗樣品的最低點與沖擊臺面之間的距離。(2)按下列預定狀態，釋放試驗樣品。1)面跌落時，使試驗樣品的跌落面與水平面之間的夾角最大不超過2度。2)棱跌落時，使跌落的棱與水面之間的夾角最大不超過2度，試驗樣品上規定面與沖擊臺面夾角的誤差不大于±5。或夾角的10％(以較大的數值為準)，使試驗樣品的重力線通過被跌落的棱。3)角跌落時，試驗樣品上規定面與沖擊臺面之間的夾角誤差不大于±5。或此夾角的10％(以較大數值為準)，使試驗樣品的重力線通過被跌落的角。4)無論何種狀態和形狀和試驗樣品，都應使試驗樣品的重力線通過被跌落的面、線、點。5)實際沖擊速度與自由跌落時的沖擊速度之差不超過自由跌落時的±1％。6)試驗后按有關標準或規定檢查包裝及裝物的損壞情況，分析試驗結果。2.2有限元及其軟件LS-DYNA介紹2.2.1有限元方法有限元法也叫有限單元法[18](FiniteElementMethod，簡稱FEM)，通過劃分單元，求解有限數值來近似模擬真實情況的無限個未知量，具有精度高、適應性強及計算格式規統一等優點，能夠滿足各行各業對有限元分析的需要[19]。有限元方法解決問題的思路就是：離散研究對象；分析得出單元剛度矩陣；形成總體剛度矩陣；移置結構載荷；引入支撐條件；求解平衡方程；計算結果整理。在一定條件下，決定有限元方法求解精度的是單元形函數的選擇及單元劃分的數量。合理的選擇單元形函數及劃分的數量是控制精度的重要方面。我們在進行模擬仿真時也要著重研究單元類型的選擇及其網格劃分。2.2.2LS-DYNA發展概況LS-DYNA程序[21]是一個顯式非線性動力分析通用有限元程序。DYNA程序系列于1976年由美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的HallqulstJ.0.博士主持開發完成，初期的主要目的是為武器設計提供分析工具。后來經功能擴充和改進，該程序成為國際著名的非線性動力分析程序[22]。HallquiatJ．0．從1988年開始創建LSTC公司，進一步發展和完善了DYNA的研究成果，使得LS-DYNA程序系統在國防和民用領域的應用圍進一步擴大，并建立了完備的質量保證體系。LS-DYNA程序已被許多國際著名的航空、航天、汽車、造船和軍工大型企業所采用[23]。現已廣泛應用于高速碰撞模擬(如汽車碰撞事故引起結構的動力響應和破壞)、乘客的安全性分析(氣囊與假人相互的動力作用、安全帶的可靠性分析)、金屬成型(物料的滾壓、擠壓、擠拉和超塑成型、薄板的沖壓成型)、爆炸載荷對結構作用的動力響應分析、高速彈丸對靶板的穿甲數值模擬、機械零部件碰撞的動力分析、電子產品的跌落分析等[24]。2.3.2LS-DYNA分析能力LS-DYNA971是最新的功能齊全的非線性分析程序包，它可以處理各類復雜的非線性問題。其顯式算法特別適合于分析各類沖擊、爆炸、結構撞擊等動態非線性問題。其算法特點是以Lagrange為主。此外，LS-DYNA具有豐富的單元庫，具有二維、三維實體單元，薄、厚殼單元，SPH單元以及其他特殊用途的單元等[25]。各種單元類型又有多種算法可供選擇，具有對任意大位移、大轉動以及大應變的分析能力。單元積分采用單點減縮積分算法，引入沙漏粘性阻力以克服零能模式，計算速度快，可以用于模擬各種實體結構、板殼結構等。LS-DYNA程序目前有140多種金屬和非金屬材料模型可供選擇，這也為我們更好的進行模擬提供了重要的模型參數[26]。2.4本章小結電子產品跌落是電子產品在極短的時間，受到碰撞動態載荷作用而產生的復雜非線性動態響應過程。手機跌落時，除了具有幾何非線性和材料非線性以外，還有接觸界面的非線性等問題。因此，對手機跌落碰撞的過程進行仿真，得到碰撞瞬間的應力歷程數值，一般都采用顯式積分的求解算法。而ANSYS/LS-DYNA廣泛應用于很多工業領域包括電子產品的跌落分析，解決了很多理論分析和實驗不容易解決的問題，有力的促進了行業技術發展，產生了深遠的影響。電子產品特別是手機市場競爭日趨激烈，為了獲得市場，各電子產品制造商爭相縮短產品的研發周期。其中運用有限元軟件對電子產品進行相關性能的分析已成為普遍手段。高效地利用有限元軟件也是加快產品研發周期的手段之一。我們利用ANSYS/LS-DYNA程序的DropTestModule(DTM)模塊來對電子產品來進行跌落的仿真試驗，并通過后處理程序觀察到整個跌落過程中產品受到的應力及變形等的情況，可以節約試樣制作和試驗成本，縮短產品的開發周期。此外，我們還應該明確：仿真的重點和難點在于模型的有限元離散，多數有限元分析軟件雖然都有網格自動生成功能，但在實際使用中尤其是遇到復雜結構時總會遇到這樣和那樣的困難，離散的方法不是一層不變的，它是一個慢慢的經驗積累的過程。此外，我們在仿真的單元類型的選擇、網格劃分和接觸設置等問題上還應特別注意，比如單元大小應該盡量均勻等，盡量避免在求解時出現問題或者是造成模擬結果的錯誤。3手機跌落過程的仿真模擬3.1手機結構及建立手機模型本課題使用機型尺寸為60×120mm，厚度為10mm，重量為150g，和目前主流的尺寸接近,結構也使用較常規的結構，有比較強的代表性。本機型使用的是4.3英寸的電容式觸摸屏，厚度2mm，結構是表層鋼化玻璃+電容感應片玻璃，觸摸屏使用0.17mm厚度的雙面膠緊密的粘貼在塑料前殼上。LCD模組主要結構是液晶玻璃加背光板支架。主板部分由PCB板、貼片的電子器件以及部分金屬屏蔽罩構成。后殼和前殼以及電池蓋由強度較高的工程塑料構成。仿真所涉及的3D模型在ANSYS中完成，首先要在ANSYS軟件中對手機整體進行簡化。簡化主板結構，去除PCB表面的電子元件。因為需要重點考察的是屏幕側前半部分的失效變形，不考慮前后殼卡扣以及電池蓋卡扣的受力情況，所以對前后殼之間的連接、后殼和電池蓋之間的連接都進行了簡化。(1)由于CAE和CAD存在的本質區別，很多加工工藝上需要的過渡圓角、小孔以及尖銳的曲面過渡的存在都會增加有限元建模的難度，影響單元質量，對于用于碰撞計算的顯式有限元模型，這個問題尤其突出。故建模時我們刪除了手機模型中一些細小的特征，如半徑較小的倒角和圓角特征；(2)刪除對CAE模擬影響不大的產品特征，如手機線路板上的凸臺、無關的卡口等；(3)簡化了對跌落影響不是很大的一些圓孔、凹槽等特征。對模型進行合理的簡化處理，不僅可以提高計算效率，而且有利于網格劃分時保證模型質量。對模型特征的處理需要靈活掌握，如果遇到多個位置形狀類似的特征，可以只保留一個進行分析；模型中對跌落影響較小的圓弧特征、坡度較小的斜面特征可以用直線和平面代替。事實也證明：過多的細小和復雜的特征只會使計算量變大，增加分析難度，有時候不但對分析精度沒有幫助，反而容易使計算出錯。最后為了降低整個模擬試驗的難度，同時考慮到目前智能手機全屏化，一體化的趨勢，把本實驗所用模型簡化為兩個部分，手機屏幕以及殼體，在建模的過程中，為了便于處理，將屏幕簡化為長方形殼體，最后把兩個課題耦合到一塊，即為本實驗所用模型。通過選擇菜單項Mainmenu>Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Block>ByDimensions，彈出對話框，輸入尺寸示意圖為3.1。在此將屏幕部分厚度設置為2mm，手機主體部分設置為8mm。圖3.2和圖3.3分別為手機屏幕和主體部分簡化模型示意圖。圖3.1輸入尺寸圖3.2手機屏幕簡化模型圖3.3手機主體簡化模型建立好兩個殼體模型之后，實施布爾運算將兩部分耦合起來，組成本實驗所用手機模型，步驟為：選擇菜單項MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Glue>Volume，選擇好之前建立的圖形，完成耦合操作，得到完整手機模型如圖3.4所示。圖3.4耦合之后手機模型3.2手機模型參數設置參數設置具體可分為規劃分析、單元屬性設置、構建實體模型。其中合理的規劃分析對于有限元分析的精度、計算費用等有著直接的影響。3.2.1指定單元類型單元類型的選擇要考慮到模擬產品的材料性質，以及要對產品進行的分析類型，此外還要考慮單元類型的性質特點、算法以及該單元類型能夠適用于的分析類型等，因而選擇合適的單元類型對模擬的結果非常重要。對于本次跌落試驗的手機產品來說，其殼壁都較薄，厚度一般在1mm左右，甚至更薄一些。為了使離散結果更接近于真實化，可采用充分小實體SOLIDl64單元，但是這種離散的結果是直接導致計算處理時間成幾何級數上升，因此應找到平衡點，使得離散結果接近真實化，而又不浪費資源。在對手機外殼的處理過程中，我們用面代替殼體。我們為手機外殼選擇SHELLl63單元，除了是因為手機殼比較薄以外，還考慮到該單元的自身特點及其算法等問題。SHELLl63是一個4節點單元，有彎曲和膜特征；可加平面和法向載荷；單元在每個節點上有12個自由度：在節點x，y和z方向的平動，加速度，速度和繞x，y和z軸的轉動。此單元只用于顯示動力學分析。同樣的，為手機屏幕也選擇SHELLl63單元。選擇菜單項Mainmenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete,在彈出的ElementType對話框中，單機ADD按鈕，出現LibraryofElementTypes對話框，如圖3.5所示。圖3.5選擇單元類型3.2.2創建實常數選擇菜單項Mainmenu>Preprocessor>RealConstants對話框中，單擊Add按鈕，按圖3.6輸入。圖3.6創建實常數本次模擬所用手機模型分為屏幕和手機主體，均選用SHELL163，各自參數設置見表3.1。表3.1SHELL163的設置項目剪切因子SHRF積分點數NIP殼厚手機殼5/630.75屏幕5/630.53.2.3材料屬性的定義由于材料的性能參數不易查找，而且很多參數在其他資料中出現的也比較少，這給我們的查找參數工作帶來很多困難。當然有些性能參數我們也可以借鑒他人模擬時選用的或者是相近材料的性能參數。不可否認的是模型材料的屬性將會在很大程度上決定模擬的結果。在本次跌落模擬試驗中，我們主要選用了一種材料模型，均使用的雙線性隨動硬化BilinearKinematicHardening材料模型，但其具體參數各不相同；它們的具體參數的如表3.2所示。表3.2各部材料參數項目參數材料質量密度DENS(kg/m3)彈性模量EX(MPa)泊松比NUXY屈服強度YieldStress(MPa)正切模數TangentModulus(MPa)手機外殼1710172000.352285000屏幕1640105000.301251000實物手機殼體材料一般為PC/ABS塑料，屏幕的材料屬性是按照LCD屏幕設置的。在跌落試驗的國家標準中規定物理跌落試驗的跌落平臺表面應是混凝土或鋼制成的平滑、堅硬的剛性表面，而且至少為跌落產品重量的50倍以上，故我們將跌落平臺的材料屬性設置為剛性材料模型，以確保該跌落試驗能夠滿足跌落試驗標準的要求。采用彈塑性雙線性材料模型。選擇菜單項MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels，在DefineMaterialModelBehavior對話框窗口的右側，依次雙擊LS-DYNA，Nonlinear，Inelastic，Isotropic，BilinearIsotropic。在出現的材料參數框中輸入相關參數，如圖3.7和圖3.8所示。圖3.7定義材料屬性圖3.8輸入材料屬性完成后，單擊OK按鈕，返回并關閉此界面，回到圖形用戶界面，完成材料模型的定義。3.3網格劃分、定義約束、施加載荷和其它設置3.3.1網格劃分有限元法的基本思想就是把復雜的形體拆分為若干個形狀簡單的單元，利用單元節點變量對單元部變量進行插值來實現對總體結構的分析，將連續體進行離散化即稱網格劃分，離散而成的有限元集合將替代原來的彈性連續體，所有的計算分析都將在這個模型上進行。因此，網格劃分對計算分析至關重要，網格的劃分也是前處理中最重要的設置，因為網格劃分的好壞將關系到有限元分析的規模、速度和精度以及計算的成敗。多次摸索試驗證明：隨著網格數量的增加，計算精確度逐漸提高，計算時間增加不多；但當網格數量增加到一定程度后，再繼續增加網格數量，計算精確度提高不多，而計算的時間卻大大增加。(1)盡量避免使用退化的殼單元和實體單元。(2)單元的大小盡量均勻，避免產生相對很小的單元面積。劃分單元前，需要指定要劃分單元的屬性，對本實驗來說只有一種單元類型，因此選擇默認設置即可。經過多次對網格劃分的大小進行調整以及老師的指導，由于手機模型為一體機，本著力求簡單同時便于分析的原則，對對整個手機進行同一標準的自由網格劃分，選擇菜單項Mainmenu>Preprocessor>Meshing>MeshAttributes>AllAreas，在彈出的對話框中進行相關設置，就會得到如圖3.9所示：圖3.9網格劃分3.3.2定義約束在定義各種約束之前，我們首先要將手機各個部件生成相應的PART，然后將邊界條件和載荷等其它設置施加在生成的各個PART上。生成PART在確定所需部件被選中后，選擇LS-DYNAOptions>PartsOptions，在彈出的對話框中，如圖所示，選擇CreatAllParts項，單擊OK即可生成Parts，如圖3.10所示。本次模擬的手機模型，由于在前面建造模型時，我們就考慮到了這些問題，已經把手機模型簡化，故這里就不用再進行特別的分組操作了。圖3.10生成Part(2)定義接觸在創建完Part并確定其它設置的正確后，接下來就要對各個Part之間的接觸等邊界條件進行設置。接觸-碰撞問題是最困難的非線性問題之一。這主要是因為在接觸-碰撞問題中的響應是不平滑的。當發生碰撞時，垂直于接觸界面的速度是瞬時不連續的。由于接觸問題是一種高度非線性行為，需要較大的計算資源，為了進行實為有效的計算，理解問題的特性和建立合理的模型是很重要的。設置接觸是我們本次模擬分析過程中的最大的難點，主要表現在兩個方面：1)在求解該問題之前，我們不知道接觸區域，表面之間是接觸或分開是未知的、突然變化的，這些是隨著載荷、材料、邊界條件和其它因素而定的；2)大多的接觸問題需要計算摩擦，有幾種摩擦和模型供我們挑選，它們都是非線性的，而且摩擦使問題的收斂性變得非常困難。本實驗選用做基本的面面接觸，作出如圖3.11所示定義接觸。圖3.11定義接觸3.3.3跌落設置(1)跌落角度對于跌落方向，考慮到本實驗的現實意義，手機在生活中經常垂直掉落，所以在有限元模擬上，我們針對此角度進行計算。在LS-DYNA，進行模型的跌落模擬，在LS-PREPOST觀察跌落過程中的壓力云圖，并記錄最大應力值。跌落分析基本參數設置在進行跌落分析之前，還需要對跌落測試相關的參數進行設置，這包括重力加速度、跌落高度及參考點、計算時間以及輸出文件步數等等。此外，我們還可以通過修改目標面的屬性，使手機模型與不同的目標面發生跌落碰撞，得到更全面的仿真結果。此外，這里也要注意與前面設置的單位之間的協調。通過DropTest選項下的SetUp進行上述試驗參數的設置。按照材料屬性單位一致性的要求，我們將重力設置為9.81kg/h。國家跌落標準規定：跌落高度的優先選擇值為25、100、500、1000mm等，對于手機的跌落高度可以設置為1000mm。出于安全性的考慮，我們可以將跌落高度設定為1500m(即1.5m)，圖3.12為跌落高度效果圖。圖3.12跌落高度效果圖設置完以后，在參數設置對話框的在Status一欄中．我們還可核實一下前面的設置。如果有錯誤的地方可以在其對應的選項中進行修改，如果沒有錯誤，而且在最后一行出現：SuccessfulSetupReadytodrop，即可進行求解運算，如圖3.13所示。圖3.13參數設置3.4求解以及結果分析3.4.1求解在設置好上述前處理及邊界條件后，其跌落菜單下就生成了一個求解菜單，點擊即可就對模擬進行求解運算。跌落模塊利用的是LS-DYNA解算器求解的，這主要是因為LS-DYNA是一個顯式非線性動力分析通用有限元程序，可以求解各種二維和三維非彈性結構的高速碰撞、爆炸和模壓等大變形動力相應。由于顯示算法計算時間一般較長，但占用的存較小，在求解過程中我們可以選擇SW系列開關對求解過程進行監控。遇到問題時，也可以重新啟動求解程序以獲得滿意解。在完全設置好之后，DropTest菜單下就會生成一個Solve選項，點擊并確定就可以進行模擬計算了。經過求解步驟之后，我們將得到的k文件進行運算處理，得到結果顯示求解過程正常。可進行下一階段分析。求解完成后，在DropTest菜單列表中自動出現AnimateResults和TimeHistory菜單項，通過AnimateResults選項，可對計算結果進行動態觀察，單擊這一選項之后，屏幕上會彈出如圖3.14所示對話框，在其中選擇合適操作。圖3.14跌落測試動態顯示選項上圖為應力變化情況設置，通過該操作，得到本實驗過程中手機模型與剛性目標面垂跌落之后的應力變化情況，具體如圖3.15所示。圖3.16為局部放大圖。圖3.15跌落過程中等效應力變化情況圖3.16跌落過程中等效應力變化情況（局部放大）通過觀察圖3.16發現，手機在跌落后受到的最大應力為206mpa左右，雖然是在安全圍之，但是已經很危險了，需要引起足夠的重視。再就是手機屏幕比主體部分所受應力更大，說明屏幕材料性能有待改進，或者應注意加裝防護措施。通過菜單項對所關心的變量進行時間歷程分析。具體操作為，選擇菜單項MainMenu>DropTest>TimeHistory>GraphVariables，在彈出的對話框中選擇顯示物體中心的豎向位移時間歷程曲線，如圖3.17所示。圖3.17選擇跌落測試時間歷程變量經過上述操作，會得到本實驗過程下的跌落測試對象重心的豎向位移時間歷程曲線，如圖3.18所示。同樣的可以操作獲取到本實驗過程的豎向速度與加速度時間歷程曲線圖，分別如圖3.19和3.20所示。圖3.18跌落測試對象重心的豎向位移時間歷程曲線圖3.19跌落測試對象速率的豎向位移時間歷程曲線圖3.20跌落測試對象加速度的豎向位移時間歷程曲線對比觀察圖3.18，圖3.19，圖3.20可以發現，整個跌落過程持續時間較短，期間重心相對穩定，在經歷第一次撞擊后，會反彈繼續撞擊，最后落在撞擊面上。代表手機屏幕和手機主體的兩個殼體在跌落過程中速度，加速度基本保持一致，把本實驗得到的數據和歷史類似實驗數據對比，發現基本可靠。3.4.2不同高度跌落模擬對比為了更好地分析，得到更有說服力的結論，我們還進行了不同高度的對比試驗，對手機整體分別進行了500mm、800mm、1000mm、1200mm跌落高度選為底面跌落的模擬，并根據得到的模擬數據繪制了跌落高度與受到的沖擊應力關系如表3.3。表3.3跌落高度與受到的沖擊應力關系高度（mm)500800100012001500應力（MPa)107142162183206隨著跌落高度的升高，手機受到的沖擊應力也逐漸增大，但是在底面跌落模擬時手機受到的最大應力并未超過我們設置的屈服強度，這也說明在我們設置的材料屬性圍，在此跌落高度圍手機的外部表現是安全的。同時手機因跌落沖擊發生的應變也是相應的逐漸變大，在跌落高度為1500mm時最大變形為2mm左右，這對手機外殼的材料來說有很大危險。我們必須對其加以包裝進行保護。至于跌落過程中的重心，速度，加速度豎向時間歷程曲線均差別不大，在本文中僅列出1500mm高度對應圖作為代表。3.5本章小結本章進行手機跌落的仿真實驗，通過研究在ANSYS中對有限元模型的前處理遇到的各種問題及我們解決的方法，對手機中體進行了跌落分析，模擬得到的各項數據經與歷史規律數據對比發現是一致的，符合跌落理論。通過應力、應變云圖我們還發現跌落姿態對于手機跌落的影響狀況。手機與地面垂直跌落接觸是生活中常見的手機損壞方式，這種跌落對手機造成的盈利沖擊較大，通過本試驗的數據可以對手機的設計以及以后的跌落試驗和模擬提供參考和借鑒。4結論與展望消費電子產品尤其是各種便攜式電子產品已經滲透到我們生活的各個角落。隨著社會的發展和技術的進步，人們對電子相關行業也提出了更高的要求：精確、穩定、輕巧、、可靠；這就使得電子產品具有產品更新換代快，研發周期短的特點。跌落仿真技術可以對各類電子產品在使用過程中可能碰到的跌落碰撞情況進行研究，以量化的形式展示了產品受到的跌落沖擊的情況。通過分析仿真結果，可以給產品設計師提供依據，以便他們能設計出更好的抗跌落沖擊產品和包裝，保證產品的安全，并可以降低試驗成本、節約時間，加快新產品的上市速度。4.1結論本文利用CAD軟件制作了該手機的模型，最后在分析和總結前人跌落模擬仿真的研究成果的基礎上，總結了在ANSYS中進行跌落模擬的CAE分析方法及步驟，運用有限元軟件ANSYS對手機模型進行了跌落試驗模擬。其中我們著重了解并研究了模擬時在前處理中遇到的各種問題及其解決方法，及跌落參數設置對跌落模擬的影響等。本文的主要工作及結論如下:(1)本文運用ANSYS/LS-DYNA中的DTM跌落模塊對手機進行了跌落模擬，和以往的物理實驗不同的是，仿真模擬更省時更經濟。(2)通過模擬我們可以得到產品受到跌落沖擊時的響應情況：即所受應力、應變情況及加速度等的分布和變化情況，特別是沖擊瞬間時的情況，通常情況下手機跌落后易損位置在接觸點，安全起見，應當加裝防護外殼或者改善材料性能。(3)本次模擬選用500mm，800mm，1000mm，1200mm，1500mm五個不同高度進行安全仿真模擬，對比分析不同高度下的應力狀況得到了手機跌落的安全高度。4.2展望雖然跌落仿真試驗已在工業領域應用了多年，但它要取代物理實驗仍然是一個具有挑戰性的問題，由于時間和個人能力的限制，本文存在的一些不足之處,若能在以下方面進行改進和完善，將使跌落試驗的CAE模擬更具實用價值，并能更好的推廣ANSYS在電子產品的設計和仿真方面的應用：(1)優化跌落分析模型，找到更準確的手機模型及其材料參數，使CAE模擬能夠在產品設計和使用上所關注的方面都能有足夠的預測能力。(2)細化和完善產品的設計方法及其進行模擬仿真的原則，使我們在遇到問題時能夠迅速找到切實可行的解決方案。參考文獻[1]鵬忠,為民,炳森等.手機環境試驗自由跌落的CAE仿真[J].制造業自動化，2003,25(8)：210~213[2]在偉，梁新華.應用有限元技術進行手機結構碰撞仿真[J].中國制造業信息化，2004,33(10)：162~165[3]祖景平，薛澄岐.手機跌落破壞仿真分析研究[J].中國制造業信息化,2006,35(11)：73~76[4]俞璐，薛澄岐,祖景平.手機電池蓋跌落仿真分析[J].電子機械工程,2008,45(1):12~17[5]偉國.基于數字化模型的跌落沖擊分析.碩士學位論文[D].：江南大學，2009，13(5):42~44[6]健，建武.基于有限元仿真的手機超薄透明翻蓋結構設計研究[J].機械工程，2009,36(2):36~39[7]彭必友，謝佳斌，馮權等.直板手機跌落破壞數字化分析研究[J].西華大學學報（自然科學版），2009,28(1):120~123[8]段良.手機跌落實驗及其計算機模擬技術研究.碩士學位論文[D].：大學，2009[9]健.手機翻蓋結構抗跌落設計方法的研究.碩士學位論文[D].:交通大學，2009[10]周鑫美，謝然.基于跌落試驗數值仿真的手機耐撞性設計[J].機電一體化，2010，23(5):134~136[11]興林.基于ANSYS/LS-DYNA的手機跌落仿真分析[J].商品與質量.學