摘要：電工電子產(chǎn)品的環(huán)境試驗(yàn)多在產(chǎn)品開發(fā)后期進(jìn)行，屬于實(shí)物試驗(yàn)。采用CAE技術(shù)對(duì)產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)進(jìn)行仿真，可在實(shí)物樣機(jī)制出前進(jìn)行，能夠有效地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷。本文基于I-DEAS 軟件系統(tǒng)，研究了對(duì)手機(jī)類產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)的靜態(tài)施壓和自由跌落試驗(yàn)進(jìn)行仿真的方法。手機(jī)屬小型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)仿真的重要內(nèi)容是裝配體結(jié)構(gòu)的有限元離散。文中采用了針對(duì)此類復(fù)雜結(jié)構(gòu)的離散化方法---分區(qū)法，成功地進(jìn)行了手機(jī)裝配體的有限元網(wǎng)絡(luò)劃分。對(duì)手機(jī)靜態(tài)施壓和自由跌落試驗(yàn)后的響應(yīng)進(jìn)行了仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析,結(jié)果與實(shí)物試驗(yàn)基本符合。
關(guān)鍵詞：環(huán)境試驗(yàn) CAE仿真 手機(jī)設(shè)計(jì) I-DEAS 網(wǎng)格劃分

1 引言

按照國(guó)家電工電子產(chǎn)品的環(huán)境試驗(yàn)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)手機(jī)類產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，其中兩項(xiàng)重要的試驗(yàn)項(xiàng)目是施壓和自由跌落。生產(chǎn)廠家一般情況下都要對(duì)產(chǎn)品實(shí)物進(jìn)行試驗(yàn),但實(shí)物試驗(yàn)的缺點(diǎn)是：驗(yàn)后結(jié)論，即只有在試驗(yàn)完成后才知道設(shè)計(jì)是否有缺陷，而此時(shí)修改設(shè)計(jì)花費(fèi)的時(shí)間和費(fèi)用較高，不利于產(chǎn)品快速推向市場(chǎng)；屬外觀觀察試驗(yàn)，無(wú)缺陷的原因和機(jī)理分析報(bào)告，無(wú)法提供足夠的改進(jìn)信息；費(fèi)用較高，試驗(yàn)具有破壞性質(zhì)，費(fèi)用高；經(jīng)驗(yàn)不易積累，產(chǎn)品開發(fā)水平不易提高，有時(shí)由于人員的變動(dòng)，甚至造成相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的流失。

為此采用以有限元技術(shù)為核心的CAE方法對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真。其方法是：在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，利用CAE手段對(duì)手機(jī)的自由跌落過程進(jìn)行模擬仿真，根據(jù)仿真結(jié)果來(lái)確定薄弱環(huán)節(jié)，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)修改，對(duì)修改后的設(shè)計(jì)模型再重復(fù)上述過程，直到滿意為止。

2 模型結(jié)構(gòu)分析及有限元離散

應(yīng)用有限單元法對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析包括從結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)模型抽象為有限元計(jì)算的數(shù)學(xué)模型、計(jì)算程序的選擇和修改、在計(jì)算機(jī)上的解算、以及計(jì)算前后大量信息的數(shù)據(jù)處理等這樣一個(gè)全過程。其中，對(duì)結(jié)構(gòu)的單元化離散是所有工作順利進(jìn)行的基礎(chǔ)。大多數(shù)用于有限元分析的軟件都提供了一定的離散化方法，對(duì)于大型或相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)基本不需要人工干預(yù)即可完成結(jié)構(gòu)的離散。但對(duì)于復(fù)雜、細(xì)小的結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行單元化離散時(shí)，大多數(shù)軟件的自動(dòng)劃分功能都顯得無(wú)能為力，手工劃分更不可能。此時(shí)通常采用兩種方法：1）簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。將尖角、細(xì)孔等細(xì)微結(jié)構(gòu)在造型設(shè)計(jì)軟件中消除或以其他結(jié)構(gòu)代替。但也許簡(jiǎn)化部分的結(jié)構(gòu)恰恰是分析所應(yīng)關(guān)注的部分，大部分情況下這種簡(jiǎn)化是不允許的；2）采用充分小的單元。為了使離散結(jié)果更接近于真實(shí)化，可采用充分小的單元，這種離散的結(jié)果直接導(dǎo)致計(jì)算處理時(shí)間成幾何級(jí)數(shù)上升，大多數(shù)情況下導(dǎo)致計(jì)算失敗。

本文以一手機(jī)為例，討論基于I-DEAS軟件的CAE模塊的工作方法。

2.1 結(jié)構(gòu)分析

手機(jī)模型如圖1所示，其結(jié)構(gòu)的幾何形狀復(fù)雜，主要由以下幾個(gè)部分組成：

1） 透明Lens：曲面殼體結(jié)構(gòu)，起到保護(hù)LCD的作用，其上開有按鍵孔、細(xì)小的耳機(jī)孔和話筒孔，下部有十幾個(gè)直徑約1mm的定位銷；
2） 前蓋（Front）：曲面殼體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)與Lens大致相同，與Lens結(jié)合采用定位孔；
3） 后蓋（Back）：曲面殼體結(jié)構(gòu)，其上有天線固定孔、電池埠等；
4） 電池蓋（Battery-cover）：曲面殼體結(jié)構(gòu)；
5） PCB板及LCD
6） 其他部分：天線、電池

以上各部分之間大都通過卡口聯(lián)接，前、后蓋部分除卡口外由四個(gè)螺釘固定在一起；天線與后蓋通過螺栓連接。

圖1 手機(jī)主要結(jié)構(gòu)及跌落方向圖
Fig1 Main Structure and Free-drop Directions of J22 Mobile Phone

2.2 有限元離散

1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化

出于設(shè)計(jì)及工藝上的考慮，外殼每個(gè)部分的厚度幾乎均不相同。對(duì)這些細(xì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化顯然是行不通的，因?yàn)檫@些簡(jiǎn)化將使結(jié)構(gòu)失去主要的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從而使下一步的計(jì)算分析失去存在的意義。從設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)來(lái)看，結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化將花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行造型的修改與重建，這與要求對(duì)結(jié)構(gòu)盡快做出分析來(lái)提供參考的初衷相悖。

因此，對(duì)Lens、前后蓋、電池蓋以及天線部分不做任何簡(jiǎn)化，對(duì)電池、PCB板及LCD考慮到實(shí)際情況作如下簡(jiǎn)化：忽略電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，量取其外觀尺寸重新簡(jiǎn)單造型；忽略PCB板上眾多細(xì)小芯片，只保留較大芯片和LCD。

2）單元類型選擇

Lens、前后蓋、電池蓋都屬于板殼結(jié)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)板殼類結(jié)構(gòu)，采用板殼單元不但能獲得較好的單元質(zhì)量，且能大大減少計(jì)算量。但用板殼單元進(jìn)行離散并計(jì)算后，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際存在著明顯的差別。

在單元?jiǎng)澐謺r(shí)，很多有限元分析軟件都有強(qiáng)大的網(wǎng)格自動(dòng)生成功能。在選用板殼類單元時(shí)，通過人機(jī)對(duì)話創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)指定厚度的“母元”。實(shí)際進(jìn)行劃分時(shí)，選定劃分表面后，還需要指定單元長(zhǎng)度和使用的“母元”。對(duì)于復(fù)雜的手機(jī)結(jié)構(gòu)，由于表面數(shù)目很大（手機(jī)前蓋有近2000個(gè)表面）且大部分非常細(xì)小，將它們分別進(jìn)行選取是不可能的，只能在取出一部分較大表面后采用“全選”功能整體選取，那么在劃分時(shí)它們采用的也都是同一個(gè)“母元”，但事實(shí)上他們的厚度都是不同的。即使對(duì)于一些較大表面，其厚度也是變化的。

通過以上分析可以得出結(jié)論，應(yīng)采用實(shí)體單元。考慮到結(jié)構(gòu)的復(fù)雜多變，決定采用二次四面體單元。

3）單元化離散的“分區(qū)法”

二次四面體單元對(duì)表面質(zhì)量要求較高。如果在劃分時(shí)指定過小的單元長(zhǎng)度，它帶來(lái)的是對(duì)設(shè)備的過高要求和計(jì)算時(shí)間的急劇增加。在所能承受的范圍內(nèi)總是離散失敗，經(jīng)過研究試驗(yàn)，使用“分區(qū)法”成功地解決了此問題。

劃分步驟如下：首先，指定一個(gè)理想的單元長(zhǎng)度（根據(jù)大致的厚度分布來(lái)確定）對(duì)結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行離散，在遇到提示失敗時(shí)將失敗表面加入失敗列表，而后以高亮（Highlight）命令觀察其所處部位。I-DEAS提供了一個(gè)很有用的分區(qū)工具命令“Partition”[2]，它可以將一個(gè)實(shí)體分割而實(shí)際上又不切斷其整體上的聯(lián)系。利用此命令將失敗表面與整體分離，分離區(qū)要在包括失敗表面的情況下盡可能小。重復(fù)以上過程直到無(wú)失敗表面部分離散化成功。

接著，選取一塊以前離散失敗的分離區(qū)，指定相對(duì)較小的單元長(zhǎng)度進(jìn)行離散，直到離散成功。同時(shí)，對(duì)這些分區(qū)也可使用上述方法進(jìn)行更小的分區(qū)。考慮到不同分區(qū)的單元聯(lián)結(jié)，在指定單元長(zhǎng)度時(shí)應(yīng)注意較小單元長(zhǎng)度應(yīng)盡量與較大單元長(zhǎng)度保持倍數(shù)關(guān)系。圖2為后蓋一個(gè)分區(qū)的單元離散結(jié)果。

圖2 后蓋一個(gè)分區(qū)的單元離散結(jié)果

采用以上方法，一般情況下不必對(duì)分離區(qū)進(jìn)行二次分離即可對(duì)結(jié)構(gòu)單元化離散成功。只有對(duì)特別細(xì)小復(fù)雜的表面結(jié)構(gòu)需進(jìn)行二次分區(qū)。

4) 病態(tài)單元的排除

利用單元檢查“Quality checks”命令，選取所有單元進(jìn)行檢查。檢查規(guī)則以“distortion”為主，對(duì)于此類結(jié)構(gòu)尺度應(yīng)偏小，可選0.2~0.5之間。檢查完畢后將輸出組刪除即可。
手機(jī)整體有限元模型的單元數(shù)：300,987；節(jié)點(diǎn)數(shù)：531,823。

3 模型解算及試驗(yàn)工況仿真

3.1 施壓試驗(yàn)

施壓試驗(yàn)中一個(gè)重要的內(nèi)容是各相鄰件之間的接觸面的設(shè)定，接觸面以受壓時(shí)實(shí)際可能發(fā)生接觸的表面成對(duì)組成。需要注意的是接觸面的搜索距離，搜索距離不可設(shè)定過大，否則將會(huì)大大增加模型解算量。

考慮三種施壓工況：在天線部位施壓20Kg；電池蓋部位垂直施壓20Kg；側(cè)面方向施壓15Kg。解算結(jié)果如表1所示。

3.2 自由跌落試驗(yàn)

首先，對(duì)模型進(jìn)行自由振動(dòng)分析，分析所得前9階固有頻率如下：

Freq 1 = 412.5018 Hz
Freq 2 = 614.0729 Hz
Freq 3 = 638.9381 Hz
Freq 4 = 720.3717 Hz
Freq 5 = 740.3850 Hz
Freq 6 = 783.9229 Hz
Freq 7 = 1040.1628 Hz
Freq 8 = 1175.1654 Hz
Freq 9 = 1238.5191 Hz

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定跌落高度的優(yōu)先選擇值為25、100、500、1000mm等[1]，出于安全性的考慮，跌落工況高度為1500mm，超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。跌落碰撞時(shí)間選為0.01秒，跌落方向已在圖1中標(biāo)出。

經(jīng)計(jì)算后的各主要部分最大應(yīng)力及位移如表2所示。

3.3 仿真結(jié)果分析

3.3.1 施壓試驗(yàn)仿真結(jié)果分析

最大位移和最大應(yīng)力均位于電池蓋與后蓋結(jié)合部下方的齒牙處。位移較大的原因估計(jì)是因齒牙處的后蓋部分是空的，無(wú)約束所至；最大應(yīng)力均超過許用應(yīng)力，考慮到其為塑料材料，去除PC/ABS不同牌號(hào)的個(gè)體差異，幾種施力的結(jié)果可能引起永久性的塑性變形或斷裂。建議在設(shè)計(jì)時(shí)將齒牙各個(gè)邊緣改為過渡圓角并適當(dāng)增加齒牙厚度。其他部位從計(jì)算結(jié)果來(lái)看還有較大的余量，但要結(jié)合自由跌落仿真的結(jié)果來(lái)確定哪些部位余量較大，哪些部位相對(duì)較為薄弱。圖3為電池蓋施加壓力20Kg時(shí)的變形圖。

圖3 電池蓋施加壓力20Kg時(shí)的變形結(jié)果

3.3.2 自由跌落試驗(yàn)仿真結(jié)果分析

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，Lens與電池蓋部分的應(yīng)力之仍有較大富裕，仍有減薄余地，最大應(yīng)力發(fā)生于Lens定位銷或電池蓋卡扣處，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)作為考慮的重點(diǎn)。值得注意的是在天線著地的跌落過程中，天線頂部的相對(duì)位移達(dá)1.38mm，前后蓋上發(fā)生的最大應(yīng)力超出許用應(yīng)力很多，最大應(yīng)力發(fā)生于天線安裝孔在后蓋上的過渡處，這預(yù)示著跌落發(fā)生后此處將發(fā)生裂紋甚至斷裂。考慮到PC/ABS塑料的特性，其發(fā)生裂紋的可能性較大。同時(shí)也應(yīng)注意到，此時(shí)Lens部分所發(fā)生的最大變形為0.485mm，這預(yù)示著在跌落過程中可能發(fā)生Lens脫落或Lens定位銷斷裂。

由以上結(jié)果，在設(shè)計(jì)修改時(shí)，考慮修改天線根部過渡部位以及天線與主體的偏斜度；增加Lens定位柱直徑或?qū)ens定位部分重新設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

利用CAE工具，對(duì)產(chǎn)品的施壓試驗(yàn)和自由跌落試驗(yàn)工況進(jìn)行仿真。通過對(duì)仿真結(jié)果的分析，能夠?yàn)楫a(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)及改型提供一定的依據(jù)。采用試驗(yàn)仿真可達(dá)到以下效果：事先預(yù)測(cè)，在制作樣機(jī)前即可預(yù)知設(shè)計(jì)是否存在設(shè)計(jì)缺陷，因此可及時(shí)修改設(shè)計(jì)，縮短開發(fā)循環(huán)過程，加速產(chǎn)品開發(fā)過程；詳細(xì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，提供量化分析報(bào)告，指明缺陷的部位及產(chǎn)生的原因，為設(shè)計(jì)人員提供修改設(shè)計(jì)依據(jù)，逐步完善設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量；費(fèi)用低，試驗(yàn)時(shí)間短，建模時(shí)間相對(duì)于制造樣機(jī)大大縮短，費(fèi)用低；知識(shí)積累，開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)形成知識(shí)，避免走彎路并加快開發(fā)速度，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

由于產(chǎn)品成本的80%以上是由設(shè)計(jì)決定的，因此采用手機(jī)施壓與自由跌落仿真試驗(yàn)?zāi)苡行У匕l(fā)現(xiàn)和改進(jìn)設(shè)計(jì)缺陷，起到省時(shí)、節(jié)約成本和提高設(shè)計(jì)質(zhì)量的作用，最終降低產(chǎn)品的成本并加快了上市速度。

需要指出的是，仿真的重點(diǎn)在于模型的有限元離散，多數(shù)有限元分析軟件雖然都有網(wǎng)格自動(dòng)生成功能，但在實(shí)際使用中尤其是遇到復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)總會(huì)遇到這樣和那樣的困難，離散的方法也不是一層不變的。