Abaqus有限元軟件對無線鼠標(biāo)跌落的仿真測試
摘要
便攜式手持電子裝置由于其尺寸小且重量輕而變得常見。不可避免地，這樣的裝置偶爾會經(jīng)歷因掉落而產(chǎn)生的沖擊負(fù)載。在分析和實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過程中考慮這種沖擊設(shè)想，以便于開發(fā)更耐用的產(chǎn)品。對掉落類型的負(fù)載的仿真能可靠地減少對實(shí)驗(yàn)測試的依賴。Abaqus/Explicit已廣泛用于測試承受機(jī)械沖擊負(fù)載行為的電子設(shè)備。
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今天，有限元科技小編跟大家分享的是：Abaqus有限元軟件對無線鼠標(biāo)跌落的仿真測試
背景
個人電子設(shè)備能夠承受機(jī)械沖擊負(fù)荷特別是與從手上掉落或從桌子上掉落相關(guān)聯(lián)的情況并不罕見。承受這種負(fù)載的能力對于產(chǎn)品的成功設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。
對于原型電子裝置對沖擊負(fù)載的響應(yīng)的評估通常涉及實(shí)驗(yàn)室測試和仿真分析的組合。模擬具有優(yōu)于物理測試的明顯優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)過程的任何階段它們提供可重復(fù)的結(jié)果，在分析期間的任何時間在模型中的任何點(diǎn)提供信息（包括應(yīng)力，應(yīng)變，加速度等），從而以更低的成本執(zhí)行。
本文使用Abaqus軟件對無繩光學(xué)計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)的1米跌落測試進(jìn)行仿真分析，檢測電子元件的潛在故障。
無線鼠標(biāo)
Abaqus關(guān)鍵特點(diǎn)
強(qiáng)大的顯式解決方法，用于高效模擬短期，高度動態(tài)，非線性事件。
通用（“自動”）接觸算法，快捷接觸定義。
改進(jìn)10節(jié)點(diǎn)四面體單元，有利于復(fù)雜幾何的網(wǎng)格化，提供準(zhǔn)確的接觸結(jié)果。
可變質(zhì)量縮放以提高計(jì)算效率。
網(wǎng)狀獨(dú)立緊固件，使用連接器元件作為點(diǎn)對點(diǎn)連接的基礎(chǔ)，允許復(fù)雜的基本和機(jī)械行為，包括故障。
有限元分析方法
鼠標(biāo)模型包括外殼組件，帶有電子組件的電路板，一個輪子和兩個按鈕。殼體部件，按鈕和輪與修改的10節(jié)點(diǎn)四面體單元一致。這些元件在大變形和接觸分析期間提供魯棒的解決方案，并且表現(xiàn)出最小的體積和剪切鎖定趨勢。它們也是有利的，因?yàn)樗鼈兛梢耘c自動四面體網(wǎng)發(fā)生器一起使用，因此減輕了對電子部件中典型的復(fù)雜模制幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚙合的任務(wù)。
電路板和電子部件與六面體元件一致。電子部件被建模為剛性體，通過基于表面連接約束連接到電路板。連接型約束將表面剛性地粘結(jié)在一起，并且這些鍵在分析期間不會斷裂。使用連桿式約束的優(yōu)點(diǎn)是待連接的網(wǎng)格不需要匹配，允許電子部件具有相對粗糙的網(wǎng)格。
基座外殼
電路板、電子器件和滾輪
完整模型
所有可變形部件使用線性彈性材料描述。這對于這種類型的分析是典型的，組件中的應(yīng)變比預(yù)期的要小。實(shí)際的計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)用螺釘，咬合夾或其他連接方法固定在一起。雖然這種特征的完整地、詳細(xì)地建模是可能的，但本分析集中于電子部件所承受的負(fù)載。因此，部件之間的所有機(jī)械接頭用網(wǎng)格獨(dú)立緊固件或基于表面的連接約束近似。連接約束用于將電路板連接到基座殼體同時將按鈕連接到上殼體。
網(wǎng)狀獨(dú)立緊固件允許兩個或更多個主體在任意點(diǎn)連接，在連接的位置處不需要重合節(jié)點(diǎn)。此外，實(shí)際連接可以用連接器元件建模。這種能力允許復(fù)雜的行為，例如材料非線性，摩擦和被包括在點(diǎn)對點(diǎn)連接中的失敗。
鼠標(biāo)的基座，中間和上殼體使用基于連接器的網(wǎng)狀獨(dú)立緊固件連接。笛卡爾和卡丹類型的連接器組合用于捕捉梁結(jié)構(gòu)的行為。緊固件連接器的位置在圖中示出。
獨(dú)立于網(wǎng)格的緊固件的位置
網(wǎng)格獨(dú)立性通過將附接點(diǎn)分布到被連接的表面上的幾個節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。節(jié)點(diǎn)被自動選擇并耦合到附接點(diǎn)，然后使用附接點(diǎn)來限定連接器元件。作為示例，圖中表示出了在鼠標(biāo)的前部處接合基部和中間殼體的緊固件（從內(nèi)部觀察）。連接器元件和連接到該元件的節(jié)點(diǎn)以紅色突出顯示。
前基底至中間殼體緊固件和耦合節(jié)點(diǎn)的剖視圖
雖然不包括在當(dāng)前分析中，但是材料失效也可以用于模擬殼體的損壞。對于具有屏幕或鏡頭的電子設(shè)備，這種類型的建模將能夠更準(zhǔn)確地評估這些易損部件的壽命。
基于自動接觸算法，單個表面對不需要被明確地定義。相反，整個組件可以被包括在具有單個定義的接觸對。地板被建模為剛性，并且重力加載被應(yīng)用于所有的鼠標(biāo)組件。在每個節(jié)點(diǎn)也規(guī)定與1米自由下落一致的初始速度條件。
仿真一種5毫秒跌落的事件，為了減少該分析所需的運(yùn)行時間，使用可變質(zhì)量標(biāo)度。使用這個選項(xiàng)，Abaqus在解決方案期間在離散時間點(diǎn)自動執(zhí)行質(zhì)量縮放，以便用戶指定的最小時間增量。
分析結(jié)果和描述
在緊接沖擊之后的情況下的米塞斯應(yīng)力的等高線圖如圖所示。如所預(yù)期的，在沖擊區(qū)域以及支撐電路板的接線片的底部示出應(yīng)力集中。可以使用子建模技術(shù)進(jìn)一步詳細(xì)地研究這些區(qū)域中的應(yīng)力，其中從全局模型獲得的解被用于驅(qū)動局部區(qū)域的更小，更詳細(xì)的模型。
沖擊后的米塞斯應(yīng)力
在5毫秒的小鼠模型，顯示病例組分的分離
如果相對運(yùn)動分量，力或力矩變得太大，典型的緊固件可能具有斷裂的部件。Abaqus/Explicitm.tyrp.net允許指定將破壞的相對運(yùn)動的單個分量或所有分量規(guī)范，還可以選擇基于故障標(biāo)準(zhǔn)的相對運(yùn)動的分量。
在前基底到中間殼體緊固件中的總力繪制在圖中。局部的X軸和Z軸分量被展示，這些分別對應(yīng)于軸向和側(cè)向剪切力。由于對稱性，局部Y分量為零。對于防止連接器故障的情況，顯示出了每個部件的附加曲線。
前基底到中間殼體緊固件連接器中的總力
模型的內(nèi)部和動能能量曲線如圖所示。在模擬開始時，鼠標(biāo)處于自由落體狀態(tài)；因此，動能包含整個能量含量。初始沖擊使外殼變形，將動能轉(zhuǎn)換成內(nèi)部能量。展示出了兩個附加曲線，其中不包括針對連接器的每一個能量分量曲線。
整個模型的內(nèi)能和動能
分析的目的是為了預(yù)測損壞電子元件的可能性。電路板組件的加速度曲線提供了關(guān)于負(fù)載的嚴(yán)重性的直接信息。響應(yīng)在每個組件的質(zhì)心處測量；在圖中展示出了各個節(jié)點(diǎn)位置。在圖中，繪出了部件3001的垂直加速度曲線。對于不包括連接器的情況，再次復(fù)制結(jié)果。
電子元件塊中心的標(biāo)簽
電子部件3001的垂直加速度
原始加速度結(jié)果中包含噪聲，因此圖中所示的曲線已經(jīng)被過濾處理了。元素、節(jié)點(diǎn)、接觸、集成和緊固件交互歷史輸出可以在解決方案過程中預(yù)先過濾，然后再寫入輸出數(shù)據(jù)庫。在電流分析中，選擇具有5kHz截止頻率的巴特沃斯濾波器。在沖擊期間過度的加速度可能損壞電子部件，即使它們可能保持與電路板的連接。為了評估壽命，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定的限制來檢查電子部件的峰值加速度。
用于確定可行性的其它方法包括檢查詳細(xì)的應(yīng)力和應(yīng)變曲線，特別是在電子部件周圍的電路板中，這些量的極限值可用于估計(jì)焊點(diǎn)的故障。
總結(jié)
機(jī)械沖擊載荷的仿真分析已在個人電子設(shè)計(jì)中不可或缺，Abaqus/Explicit的高級功能能夠使這種測試方案很容易進(jìn)行，并提前預(yù)測失效。
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