（机械制造及其自动化专业论文）基于数字化模型的跌落冲击分析.pdf

摘要 摘要 跌落冲击是手机损坏的第一大元凶，也是 ：程实际中常见的一种现象，其过稃是一种复杂的动 态响应过程，具有特殊的动力学特性。对冲击现象进行分析，并将冲击动力学和有限元分析方法相 结合进行数值模拟是解决跌落仿真问题很有效的方法，具有重要的理论和上程意义。 本课题针对手机跌落的冲击动力学问题，在以下几个方面进行了研究： 对冲击动力学的基础理论进行了较系统的归纳，确定了冲击动力学问题的一般分析方法及求解 过程，为数值模拟奠定了理论基础。将冲击动力学的基本方程和基于i - d e a s 的有限元分析相结 合，提出了跌落冲击载荷作_ j 下的分析方法。 以圆柱形薄壁壳体为对象进行有限元跌落数值模拟，并与实验数据进行比较分析。在此基础上 进一步利用试验结果修正有限元模型，使修正后的仿真数据与试验结果基本吻合，从而达到虚实混 合仿真的目的，同时也验证了跌落模拟分析的可行性和实用性。 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。在手机等 产品跌落冲击中，阻尼能够消耗能量，并且降低响应峰值，减缓冲击效应。这一仿真方法对同类复 杂结构的冲击动力学研究具有一定的参考价值和实用意义。 关键诃。跌落测试冲击动力学有限元响应分析阻尼i - d e a s 江南大学硕士学位论文 a b s t r a c t d r o pi st h em a i nr e a s o nf o rt h ec e l l u l a rp h o n e sb r o k e n d r o p i m p a c ti sa l s oak i n do fc o m m o n p h e n o m e n aw i d e l ys e e ni ne n g i n e e r i n gp r o j e c t sa n dt h ei m p a c tc o u r s ei sac o m p l i c a t e dd y n a m i cr e s p o n s e p r o c e s sw i t hi t sp a r t i c u l a rd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，s ot h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fi m p a c tp h e n o m e n a b e c o m e sv e r yi m p o r t a n ti nb o t ht h e o r e t i c a la n dr e a l i s t i ce n g i n e e r i n gf i e l d s t os o l v et h eq u e s t i o n so f d r o p s i m u l a t i o n i ti sah i g h ye 墒c i e n tw a y 幻a d o p tt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t ht h eh e l po ft h ec o m b i n a t i o n o fi m p a c td y n a m i c sa n df i n i t ee l e m e n tm e t h o d i nt h i sa r t i c l e ，t h ea u t h o rc o n d u c t st h er e s e a r c ho ni m p a c t d y n a m i c so f p h o n ed r o pt e s ti nt h ef o l l o w i n gf i e l & ： f i r s t l y , t h ea u t h o rs o r e su pr e l a t i v e l yt h eb a s i ct h e o r yo fi m p a c td y n a m i c sa n dc o n i e so u tw i t ht h e g e n e r a la n a l y s i sw a ya n dt h ep r o c e s s o fs o l v i n g ，t h u sf o u n d i n gt h et h e o r e t i c a lb a s ef o rn u m e r i c a l s i m u l a t i o n t h e n t h ea u t h o r c o m b i n e s t h e b a s i ce q u a t i o n o f h n p a c t d y n a m i c s w i t h f i n i t ee l e m e n t m e t h o d o f i - d e a sa n de s t a b l i s h e st h ea n a l y s i sm e t h o do f d r o p i m p a c t1 0 a d s e c o n d l y , t h ea u t h o rc o n d u c t st h ed r o p i m p a c tf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nw i t hac o l u m n - s h a p e d t h i n - s h e l lo b j e c t c o m p a r e sw i t ht h ee m p i r i c a ld a t u m t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa r cu s e dt oi m p r o v et h ef i n i t e e l e m e n tm o d e la n dt h ei m p r o v e ds i m u l a t i o nd a t ac o n f o r m sw i t he x p e r i m e n tr e s u l t ss a t i s f a c t o r i l y ；a sa r e s u l t , t h ea i mo fv i t m a lr e a l i t yc o m b i n e ds i m u l a t i o ni sa c h i e v e d m e a n w h i l e ，t h ee x p e r i m e n ta l s op r o v e s t h ef e a s i b i l i t yf o rd r o p i m p a c ts i m u l a t i o na n a l y s i s t h i r d l y , p u t t i n gan u m e r i c a ls t r u c t u r eo ft h ec e l l u l a rp h o n ea st h ee x a m p l e ，t h ea u t h o re s t a b l i s h e st h e f i n i t ee l e m e n tm o d e lt os t u d yd r o p i m p a c td y n a m i c so ft h ec e l l u l a rp h o n et h r o u g ht h es i m u l a t i o nm e t h o d b ys i m u l a t i n gd i f f e r e n td r o pd i r e c t i o n s ，d i f f e r e n td r o ph e i g h ta n dd a m pp a r a m e t e r so f t h em o d e l ，t h ea u t h o r a n a l y s e st h er e s p o n s ep r i n c i p l e sa n dp o t e n t i a lf a i l u r et y p eo f t h e c e l l u l a rp h o n e a n d 缸d so u tt h ew e a k n e s s i ns t r u c t u r ed e s i g n i n ga n df u r t h e rh e l p si m p r o v eo ro p t i m i z ed e s i g n i n ga f t e rs y n t h e s i z i n gt h e s ea n a l y s i s r e s u l t s t h i ss i m u l a t i o nm e t h o dp r o v i d e ss i g n i f i c a n tr e f e r e n c ef o rt h ei m p a c td y n a m i c sr e s e a r c ho ns i m i l a r c o m p l e xs t r u c t u r e s f i n a l l y , t h ea u t h o rc o n c l u d e st h eg e n e r a lr u l e so f d r o p i m p a c ta n dt h ee f f e c t0 1 1d r o p i m p a c tb yd a m p f n n nt h es i m u l a t i o nr e s e a r c ho fs t r u c t u r ei m p a c td y n a m i c s i ni m p a c t sl i k ec e l l u l a rp h o n e sd r o p ，d a m p w i l lc o l r r t l n ee n e r g y , r e d u c et h er e s p o n s e p e a k sa n dr e , e v ei m p a c te f f i c i e n c y k e y w o r d s ：d r o pt e s ti m p a c td y n a m i c s f i n i t ee l e m e n t r e s p o n s ea n a l y s i sd a m p i - d e a s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书面使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：速左! 虱导师签名：堑! 垒 目期：聊年，月矿日 第一章绪论 第一章绪论 跌落冲击问题存在于许多l = 稃领域，如p c b 板等电子元器件的跌落、各种包装件的跌落、产 品整机的跌落等。实际上从日常生活中的苹果自由落体剑复杂的航天b 机的同收，都有这类问题。 物体在跌落冲击载荷f 的力学响应与静载f 的力学响应的显著差异在于前者的结构可能发生_ 人变 形、大转动，材料可能进入塑性状态，这涉及到几何非线性、材料非线性和边界条件非线性的问题 【1 1 。 随着全球电子工业的飞速发展，电子产品的设计愈来愈精细，市场竞争要求电子产品性能指标 大幅提高的同时，还要求小型化、便携性、易用性和可靠性。由于消费新型化及多样化，电子产品 的设计越来越注重外观和产品的性能，同时电子产品的内部结构也日趋复杂。电子产品在研发后期 都要经历严酷的物理试验，以达到产品可靠性和耐用性的要求。对于工程师而言，在设计过程中准 确预知手机等电子产品在受冲击时可能发生的种种问题是相当困难的，有时甚至是不可能的。产品 的物理试验只可能安排在产品研发周期后期，对产品的改进意义不大，而且工程师很难去分析一个 装配体之间各零件的相互作用力情况。因此，我们有必要借助于有限元分析手段，在产品研发中模 拟跌落冲击等环境，对产品改进提供指导。 正是由于跌落冲击问题的复杂性和在电子产品研发及测试中的重要性和必要性，分析跌落冲击 载荷下结构的动态响应，对产品结构的跌落冲击动力学研究和数值模拟就显得极为重要。 1 1 课题背景和研究意义 跌落冲击属于冲击动力学范畴。冲击动力学是固体力学中重要的研究方向，它涉及物理、力学 和材料科学等多种学科，主要研究弹性体在瞬变、动载荷作用下的运动、变形和破坏规律。当物体 的局部位置受到冲击载荷的作用时，结构将在很短的时间内达到最大的响应，物体结构的动态响应 主要表现在结构的变形以及随时间而发展，最终引起结构的断裂、贯穿或破坏口“。结构在冲击载 荷作用下产生的响应形式取决于结构的几何尺寸、材料参数、初始缺陷、载荷峰值以及载荷持续时 间等诸多因素，因而结构动力响应问题非常复杂。 当结构受到冲击载荷作用时，通常要考虑应力波峄删的传播和结构的动态响应，这也是冲击动 力学的两类基本问题。考虑应力波是研究物体局部扰动及其传播问题，它将动态响应作为一个过程 来研究：对于结构动态响应是忽略扰动传播过程，直接研究结构的变形、断裂及其与时间的关系。 由于冲击形式的复杂性，这两类基本问题应用的冲击对象也不同，有的冲击着重考虑应力波效应， 而有的更侧重于结构的动态响应。 冲击结构动力学研究的对象包括许多由不同材料制成的、几何形状千差万别的结构，外载的时 空特性和碰撞速度范围也都有极大的差异；在结构的动态响应过程中可能出现极为复杂的力学现 象，如几何的大变形、大转动，高应变率下材料性能的变化，以至于结构的断裂、动态屈曲和破坏 等等。因此，要掌握在冲击载荷作用下实际_ 程结构的动力响应，尚有许多问题需要研究。对冲击 结构的动力学分析，首先应该对构件的几何形状、材料性能和外载特征进行必要的简化，建立恰当 的力学模型，并通过对这些力学模型的研究来揭示冲击载荷作用下结构动力响应的主要特征。同时 发展相应的理论、计算和试验方法，为分析更复杂冲击载荷下的行为提供依据和公式。 在实际问题中，很多冲击过程都是一种复杂的非线性动态响应过程，具有特殊的动力特性，而 且受冲击结构有可能迅速超越弹性阶段而进入塑性流动状态，并可能出现撕裂、屈曲等各种形式的 破坏或失效，对于结构在高速冲击载荷作用下的动态响应通常难以用传统的理论计算和分析方法来 解决。 在新产品的开发中，样品的物理测试用来验证产品在使用过程中面临各种突发事件的可靠性和 江南大学硕士学位论文 稳定性。传统的验证方式大都在各种实验室内进行诸如破坏性试验等测试，虽然也能得出是与否的 结论，但存在如下问题：只有在产品制造实现之后，才能进行试验。一旦发现缺陷而对设计作出 修改，就意味着原样机的报废与新样机的再制，既耗费时间又增加成本；绝大多数物理测试属外 观观察试验，无法提供充分和准确的改进信息；设计流程属于开环控制，修改前后的设计结果之 间缺乏继承性，难以逐步完善和优化产品设计。 随着计算机技术的发展，有限元作为一种高效的工程数值分析方法在冲击动力学的分析过程中 得到越来越广泛的应用。有限元法是求解数理方程的一种数值计算方法，是解决工程实际问题 的一种有效的数值计算工具。因此针对复杂的冲击碰撞过程，以有限元基本理论为基础的一批优秀 的有限元软件出现了，如m s c d y t r a n ，l s d y n a 等。它们拥有丰富完善的单元类型，材料模 型库和求解器等，并且具有完善的前、后处理模块，可以独立完成多学科、多领域的工程分析问 题。事实证明采用这些软件进行仿真分析能很好的模拟冲击作用过程，并能对冲击后结构的受力及 变形进行比较全面的分析。m s c d y t r a n ，l s d y n a 等有限元软件的主要不足之处是前处理模 块中的几何建模功能不强，这样在面对一些复杂工件时就需要借助其它的c a d 软件，如 p r o e n g i n e e r 、i - d e a s 、u g 、c a t i a 等来完成建模，然后通过数据转换的方式导入系统后进行有 限元分析及后处理，而数据转换过程中常常会出现如下问题”i j ： 数据转换非常耗时。一个复杂的c a d 模型往往要花费几十分钟、甚至几小时的时间； 转换过来的模型质量差。经常会发生模型中的面丢失，甚至只留下辅助线，从而导致重复 劳动。据统计，分析人员有5 0 7 0 的时间花在重复劳动上； i - d e a s 具有独特的基于数字化模型的c a d c a m c a e 功能，并是一个彼此关联的整体，而不 再是相互独立的功能模块，基于数字化主模型的特性使得模型的变化与c a d c a m c a e 的结果保持 高度的一致性，使得产品开发的整个过程中随时对产品进行评估和加工设计成为可能。由于i - d e a s 软件不但具备强大的有限元分析功能，同时还拥有完备的基于特征的变量化实体造型技术， 通过曲面设计集成来实现实体造型，其强大的功能能够最大程度地满足企业在产品开发方面地需 求，工程师可以用i - d e a s 软件来构造c a d 模型，然后通过同一系统进行有限元分析，这样可以避 免数据转换，从根本上解决了由于数据转换带来地问题；另一方面，id e a s 软件还为当前市场上 常见的大型c a d 软件( 包括p r o e 、c a t i a 等，而u g 的文件i - d e a s 可以直接使用，无需接口) 都开 发了专用数据接口，通过专用接口，可以将这些在不同c a d 平台上构建的数字模型十分便捷且准确 地导入到i d e a s 软件中，这样使通过i - d e a s 软件为不同c a d 软件构造的数字模型进行有限元分析 打下基础。 1 2 相关领域的研究现状 文献 2 a 3 , 1 4 1 中较系统地总结了冲击动力学方面的有关知识，主要研究受冲击载荷结构中应力波 的传播以及冲击下材料的高应变率效应与动态断裂问题，这方面的研究为进一步分析创造了基础。 冲击载荷f 结构的动态屈曲是冲击动力学问题的一个重要分支【i ，目前对于该方向的研究发展 很快。近年来，为了切实提高产品在意外跌落时的可靠性，各大公司和研究所的研究人员对电子产 品等的抗冲击性能进行了广泛的研究。这些研究主要从试验研究、数值模拟和理论解释三个方面进 行了努力。 试验研究可以分为针对整个产品的实验研究和针对部件的实验研究两种刚。目前，针对整个 产品的实验研究还处于在试验现象的观测阶段。实验通常在各实验室针对个别产品进行；实验中用 到的传感器则多数为在电路板上贴应变片和加速度传感器，在撞击平面安装力传感器来测量撞击 力；通常采用高速摄像机来观测撞击的过程。在研究产品的某些敏感部件的抗冲击性时，常常用冲 击试验替代产品的实际跌落试验。在进行冲击试验时，首先将被测部件以一定方式牢固地安装在冲 击试验机的载物台上，然后使规定形状、幅度和持续时间的脉冲作用到被测产品或部件上。这些初 步的试验研究解决了一些技术性的问题如跌落姿态的控制，传感器的安装等等，同时初步的实验现 2 第一章绪论 象和实验数据给进一步的研究提供了一定的启示。 对丁| 产品的跌落试验，一个重要问题是跌落姿态的控制。m o t o r o l a 公司的w u 等等口”，用一种 柔性同定设备解决这一问题：刚儿根细线将样晶悬挂在一个跌落架上，试验时让样品随同跌落架同 时f 落，当样品与底面碰撞后即让跌落架停j rr 落。朗讯公司贝尔实验室的g o y a l 和b u r a t y n s k i 口2 j 则利t l j 类似跌落试验台的装置：将样品悬挂在试验台上，使得样品和试验台同时f 落，在试验台碰 到地面之前，将样品释放，当试验台刚刚停j e 运动时，样品撞到试验台上，因而样品没有足够的时 间改变冲击姿态。新加坡国立大学的s h i m 和l i m 口剐设计了一个更为灵活的跌落试验机( 该设计己经 获得美国专利) ，该试验机利用一对可转动的夹钳将样品同定在一定方位，夹钳则同定在有导轨的 滑块上，试验时滑块带着夹钳和样品同时下落。在落地前的一瞬间，通过电磁开关使夹钳打开释放 样品。最近，日本的y o s h i d as e i k i 公司推出一种专门针对便携式电子产品的跌落试验机d t 2 0 2 ， 与新加坡国立大学的设计不同在于其固定系统使用一对压缩空气笔。几种方法比较，新加坡国立大 学的l i m 等的设计最为可取，不仅保证了跌落姿态，同时通过控制夹钳的旋转角度保证了实验的 稳定性与可重复性。另外，沈阳新乐精密机械公司的于治会1 2 4 、清华大学的李鸿儒【2 5 】、西安工业 大学的袁艳等”1 针对不同产品的跌落状况，分析跌落原理并设计出了跌落冲击试验台。 对于部件的实验研究，各半导体和电子产品供应商均采用冲击试验来测量不同电子封装芯片的 可靠性，如日本富士通公司口”，诺基亚公司8 ”等。j e d e c 推出针对便携产品的电路板水平冲击测 试标准j e s d 2 2 b 1 1 1 t ，统一规定了电路板尺寸，芯片的布局，测试板环链线路( d a i s yc h a i n ) 的规 格，和测试方法等等。标准要求电路板经受峰值1 5 0 0g ，作用时间为0 5m s 的半正弦的加速度脉 冲。 随着有限元分析软件和计算机技术的迅速发展，计算机模拟测试已经逐渐成为一种可以替代实 际澳9 试的研究方法。对比实际样品的测试。计算机模拟不仅更经济省时，而且能提供更为全面的信 息。 一大批的文献介绍了用各种商用有限元软件进行电子元器件研究的方法和技巧。z h u d 2 】应用 子模型技术研究了b g a 芯片的电路板焊点冲击响应；s o g o 等口习发展了一种两步模式来分析电路板 焊点冲击响应，并且从实验中得到验证；s c o t ti r v i n g 等”4 】m 0 尝试用a n s y s 的隐式代码来模拟一种 f a i r c h i l d 芯片的冲击试验；l a l l 等1 3 5 介绍了一种模糊性质模型( m e a r e dp r o p e r t yf o r m u l a t i o n s ) 来模拟 电路板的冲击；r e n 等”采用梁和壳的简化模型来模拟电路板的冲击响应，与未简化的三维模型对 比结果相当符合；t e e 等田“对各种封装形式的芯片如窄带球栅阵歹l j ( t h i n - p r o f i l ef i n e - p i t c hb g a t f b g a ) ，方形扁平无引脚封装( q u a df i a ti i o 1 e a d ，q m 、r ) ，和整合式被动元件( i n t e g r a t e dp a s s i v e s d e v i c e 。i p d ) 等进行了数值模拟和实验验证； 另有一些研究者对具体的产品跌落试验进行数值模拟分析。w u 等口”最先介绍了采用l s d y n a 的显式代码进行跌落试验数值模拟的基本方法。l o w 等 3 9 , 4 0 研究了迷你高保真音像设备在 跌落冲击下的瞬态响应，数值模拟得到的加速度响应与试验相比较为接近；l i m 等【4 i 】利用 a b a q u s e x p l i c i t 对寻呼机的跌落冲击进行了数值模拟；爱立信公司的z h u 等【4 2 1 通过模拟手机跌落 的不同破坏模式，示范了各种分析模块和技术，包括顺序法( s e x l u e n t i a lt e c h n i q u e ) 、子模态法 ( s u b m o d e l i n gt e c h n i q u e ) 等；p a n 等m 3 则对t e t - l c d 显示器进行了详细的数值模拟，试验验证和 包装改进的工作；同济大学的李鹏忠分析模拟了u t 斯达康小灵通手机在自由跌落环境下响应 4 4 1 。 此外还有包装体、医疗箱等的跌落仿真研究【4 “】。 另外。一些特殊部件如硬盘的冲击响应模拟则需要考虑到气体和固体的相互作用。e d w a r d s 等 4 7 1 通过将气体的运动影响附加到转动碟片的方法计算了旋转硬盘的冲击响应；j a s o n 等【4 8 4 9 1 也发展 了一种将空气作用与有限元技术结合的办法来模拟硬盘的冲击响应。此外，z h u 等【5 卅计算模拟了无 线射频接收器( r a d i of r e q u e n c yc o n n e c t o r ) 在矩形、三角形和半正弦波形状的冲击脉冲下的响应。 但是由于缺乏材料的动态性质、破坏准则、接触条件等数据库以及其他技术因素，成为数值模拟实 际应用的瓶颈。 理论研究方面已经突破了原有的单自由度模型，并利用结构冲击动力学的方法来研究。虽然单 自由度模型提供了系统冲击响应的基本概念，但由于忽略了部件的可变性以及部件和其支撑结构之 江南大学硕士学位论文 间可能的耦合运动，对分析实际的产品可能过于粗糙。 在用结构冲击动力学理论与有限元相结合的方法研究复杂结构冲击动力学问题的过程中，如何 建立最合理的有限元模型成为解决问题的关键。比较理想的方法是将产品中的主要部件抽象成简单 的结构元件如梁、板、壳等，然后分析这些结构元件在冲击作用f 的响应，但是理想的有限元模型 只适用于较为简单的模璎结构，并不能解决复杂结构的冲击动力学问题。常见的仿真分析是将结构 的几何特征尽量简化，材料的本构关系及载荷、边界条件也都进行了假设和近似，即有限元仿真模 型参数的选取与实际情况有一定的差距，这都是由于实际结构和使用环境的复杂性造成的，因此复 杂结构的冲击动力学仿真分析结果并不能准确反映真实情况，只能比较近似地模拟。鉴于此，为了 在复杂的冲击动力学问题中更加真实有效地进行数值模拟，本课题提出将试验方法与数值仿真相结 合，用试验结果修正有限元模型参数，找出仿真结果与试验数据的差距，进而调整不合适的有限元 模型参数，多次反复模拟计算，直到仿真结果与试验基本吻合。此时的有限元模型应该是更合理 的，数值模拟的结果也是更加真实可信的。 进行冲击动力学数值模拟的同时，一般不重视阻尼对结构冲击效应的影响，在有限元模型中不 设置阻尼参数或者只是按照经验选取一个值，而这样选取的阻尼往往并不能反映实际冲击的真实阻 尼，从而导致数值模拟的误差。还一种观点认为，在冲击载荷下，结构将在很短的时间内达到最大 响应，在此之前，阻尼还来不及从结构中吸收较多的能量，故对承受冲击载荷的结构来讲，阻尼在 控制结构的最大响应中所起的作用就显得不太重要了【5 i o 。但是由于冲击形式及结构的复杂性，不 能片面地将这种观点应用到所有的冲击问题中。对于有些冲击问题它可能是成立的，但对于较为复 杂的冲击至少在本课题中分析的手机的跌落冲击问题中还是要考虑阻尼的影响的。 手机跌落测试是手机产品测试中的一个重要环节，国内外相关规范标准中规定了手机跌落测试 的各项环境条件和操作规范。手机跌落瞬间是结构在很短时间内在巨大冲击载荷作用下的复杂的动 态冲击过程。对手机跌落进行数值模拟，研究跌落冲击载荷下结构响应规律，分析跌落冲击过程中 阻尼等因素的影响。基于此，本课题将运用冲击动力学理论及有限元仿真分析方法进行手机结构的 跌落冲击动力学问题研究。 1 3 本课题研究的主要内容 综上所述，冲击动力学问题不仅在工程中有着广泛的应用背景，在学术上也有重要的理论研究 价值。本课题以试验为仿真分析的基础，从最简单的壳结构入手，使之尽量与工程应用相结合，根 据冲击动力学与有限元的基本原理，利崩有限元分析软件i - d e a s 对结构进行跌落冲击动力学仿真 研究，并总结出有价值的冲击规律。主要在以下几个方而进行分析研究： 1 、概括冲击动力学和有限元的基本理论，研究冲击载荷f 结构响应的分析方法，进而归纳出 冲击动力学的基本方法及其求解过程。 2 、利用试验数据修正有限元仿真模型参数：以一圆柱形薄壁壳体为分析对象，利用id e a s 软件进行数值模拟，与实际物理跌落冲击试验相比较，找出仿真结果与试验数据的差距，并按照试 验来修正模型参数，为较复杂的模型分析提供有益的参考。 3 、以数字化手机模型为具体对象进行研究，建立有限元模型，分析在跌落冲击载荷下手机结 构的响应趋势和失效机理。由于跌落状况，冲击载荷形式复杂，为此需要分析出合理的载荷及边界 条件，对样机进行跌落冲击动力学响应过程的研究，从中总结出跌落冲击形式下结构的响应规律。 4 、探索阻尼在冲击动力学问题中的作用，总结其规律。 本课题以冲击动力学基本理论及有限元为指导，结合冲击瞬态响应分析的方法，借助先进一流 的c a d c a e 软件，通过从简单结构到复杂结构的研究探索了一条解决复杂结构冲击动力学分析的 途径，从而在手机等产品制造前预先发现潜在的问题，通过模拟试验，减少试验时间和经费，也缩 短了新产品的设计开发周期，降低了开发成本，大大提高了产品的市场竞争力。同时这种数值模拟 过程对其它同类型的冲击动力学研究也具有重要的借鉴意义。 4 第二章冲击动力学理论概述 第二章冲击动力学理论概述 2 1 冲击动力学基本理论 2 1 1 冲击振动基本概念 冲击是系统受到瞬态激振时，其力、位移、速度或加速度发生突然变化的现象( 5 l 5 3 。冲击是振 动的一种特殊状态，它与一般状态的振动不同，具有自己独特的特点：( 1 ) 冲击过程是瞬态的，持 续时间短暂；( 2 ) 冲击是骤然的、剧烈的能量释放、能量传递与转换过程；( 3 ) 冲击激振函数往往是 非周期性的，其频谱是连续的，冲击过程一次性完成，不呈现周期性；( 4 ) 冲击作用下系统所产生 的运动为瞬态运动，运动状态与冲击持续时间及系统的同有周期有关。 从理论分析角度看，冲击响应就是系统受到一种短暂的脉冲、阶跃或其它瞬态的非周期激振下 的响应。冲击响应引起的系统振动能够很快消失，但它引起的最大应力( 或位移) 却可能使系统损 坏。冲击动力学过程是一系列随时间变化的动态过程。 理想的规则冲击载荷波形主要有矩形、半正弦、梯形、三角形、锯齿波等。但在工程实践中， 冲击振动的时域波形可能是非规则的，但是可以用理想的规则形状来表示某些特定的冲击。针对不 同的冲击载荷波形( 冲击形式) ，系统的动态响应也不同，系统的响应主要取决于冲击载荷脉冲的峰 值、持续时间及波形形状”，“。 代表规则形冲击的主要特征要素是：( 1 ) 冲击持续时间f ；( 2 ) 冲击波的形状工( f ) ；( 3 ) 冲击载荷 波形包含的面积4 = i 。x ( t ) d t ；( 4 ) 冲击波的峰值吒。表2 i 列出了几种典型的冲击载荷波形。 当系统受到冲击激振时，系统将产生相应的冲击响应。理论证明，系统受到冲击激振后的最大 响应与冲击的持续时间f 和系统本身的固有周期瓦( 或固有频率工) 有关。当瓦 f 时，冲击响应则大大减弱。为区别起见，称 f 的冲击为简单冲击。简单冲击中冲击幅值随时间变化的曲线可以 近似为简单的几何图形，如半正弦、矩形波和锯齿波等；复杂冲击中冲击幅值随时间变化的曲线呈 复杂的衰减振荡形。图2 1 表示了单自由度系统这两种不同性质的冲击激振和系统响应的基本概 念。从图2 1 中可以看出，系统承受冲击作用时，冲击响应分为两部分，在冲击作用时间内的系统 响应和冲击作用结束后的系统响应不同，前者称为主响应，如图2 1 ( a ) 中的再( f ) ；后者称为剩余 响应，如图2 1 ( a ) 中的屯p ) 。两者对应的最大值分别称为最大主响应和最大剩余响应。 表2 1 几种典型的冲击波形 名称典型的冲击波形波形包围面积a 矩形波 | u m 以f t 半正弦波 厂、i u m - - 2 v f jti ，r 5 三角波 | u m 圭u m r l - r 锯齿波 r l u m 三 工、甜 毒， i i j 乙 1 i 工r 八 ( a ) 复杂冲击( b ) 简单冲击 图2 1 两种不同类型的冲击与响应 研究还发现，最大冲击响应值与冲击波形也有关。相同的冲击峰值，相同的正f ( 冲击持续时 间与系统的固有频率之积) ，矩形冲击波的最大冲击响应最大。也就是说，对于一个给定的单自由 度无阻尼系统，同样的冲击持续时间，以矩形波的冲击最为严重，其次是半正弦波，其原因是与冲 击波所包围的面积大小有关。因此，冲击波形所包围的面积表达了冲击的强烈程度。例如在表2 1 所示中，当波形的冲击持续时间和冲击波峰值均相同时，矩形冲击波包围的面积最大，半正弦波次 之，三角波与前峰锯齿波相同。 对于任意一个单自由度系统，当其固有频率，：不变，外部作用一冲击力( 或冲击加速度) 时， 该系统的冲击响应如图2 1 所示。当f 取不同值时( 或者说人工f 之积取不同值时) ，系统的最大冲 击响应值也不同。工程实践中，当设备承受冲击作用时，其最大冲击响应值对设备的破坏作用晟 大。因此应对最大冲击响应特别注意。 系统响应的最大值作为系统固有频率的函数所得的曲线称为冲击响应谱 y 0 - - 5 9 1 。冲击响应谱通 常又简称为冲击谱，它是工程中广泛应用的一个重要概念。由概念可知冲击谱是单自由度系统受冲 击作用后所产生的响应运动在频率域中的特性描述。将最大的冲击响应值随z f 的变化绘制成曲 线，该曲线称为系统的最大冲击响应谱。冲击响应谱对于比较冲击运动、冲击防护设计和进行环境 条件的模拟试验都有着重要的作用。同时它也可用于动响应与动载荷的估算，即根据冲击响应谱， 可在工程所需精度内，估算结构对给定的冲击载荷的最大响应。目前，在各种动力系统分析中已广 泛采用响应谱来描述动环境。 对于跌落冲击问题，最普通的冲击载荷是脉宽为0 5 毫秒到l o 毫秒甚至是2 0 毫秒的半正弦 波。图2 2 【“1 提供了对一个电子元器件进行跌落后的数据。从图上可以看出为什么通常假设冲击载 荷波形为半正弦波，图中半正弦波波形的脉宽大约是2 ，5 微秒。 6 第二章冲击动力学理论概述 t w n er e s d 口啪 j i ji 山。k jl 。厶山 - i l kll 啊w ，_ 1 r t r 丌 图2 2 一电子元器件跌落时的加速度测量值 脉宽是模拟以及驱动设计要求的重要因素，了解脉宽的最好方法是测试与所设计产品相类似的 产品跌落到一个表面或者一系列表面时得到的相应加速度和应力。这种测试非常简单且有效。一旦 测量了一定数量的相类似产品和表面相碰撞后的数据，会得到一个适当的脉宽来进行进一步的模 拟。本论文第三章将以一个圆柱薄壳体为例，用虚实混合仿真的方法验证模拟_ f j 放大的半正弦波形 冲击载荷进行数值模拟的可行性和可靠性。 2 1 2 冲击问题分析理论及解决方法 根据冲击的性质，在一般研究中可分为两类情况：一类是碰撞冲击，即两个或几个物体的碰撞 或者打击，例如碰撞球、弹击等；另一类是所谓激振冲击，即激振对系统的迅速作用，例如环境扰 动、压力脉动等。 解决冲击动态响应问题，目前分布在三个学科领域中，即弹性理论、材料力学和振动理论，它 们解决响应问题的方法与理论都不同。在研究的对象上，有的是共同的，有的由于方法本身的局限 性而有很大差别。 弹性理论解决动响应问题主要是在连续域求取封闭形式的解。解决冲击的波动理论就可归入这 一类。由于它保持了结构与激振的固有的连续性( 空间的、时间的) ，所以展现的方程往往是偏微 分，响应问题的求解要依靠偏微分方程或偏微分方程组来解决。显然，这样得到的解比较精确，并 且可以完整地显示响应特征。但是，由于它在解法上的复杂性，使许多复杂结构的响应问题很难求 得解答。至今，这一领域的研究对象，多数还是限于简单的杆、梁、板、壳结构。 材料力学解决动响应问题主要是依靠动量守恒及动量矩守恒定理。它所采取的方法往往是结合 动力试验给出工程实用的图线、表格；研究的范围主要是在动力作用下的局部影响一局部最大应力 或最大变形；研究的对象也只限于简单结构。 振动理论的方法是处理动响应范围最广泛的学科，许多复杂激振函数作用于复杂结构的动响应 问题都是依靠振动理论解决的。由于它更多地采取了离散化模型，因而得到的多为数值近似解。由 于振动理论是研究振荡运动的科学，而冲击现象在刚一开始阶段并不是一个振荡过程，一段时间之 后才开始振荡阶段：因此当所关心的响应时刻是振荡前的阶段时，还必须求助于弹性理论或材料力 学。现在已有许多问题是综合这三方面的理论使问题得到解决的，如声激励向舱体内部传播问题即 为一例。在振动理论的响应分析法中，根据主要变量的选择，可分为时间域求解、频率域求解和响 应域求解。按解法可分为直接积分法、模态叠加法、传递函数法、机械阻抗法、响应谱法等。本课 题的冲击响应研究主要是在时间域上用模态叠加法来分析和求解的。 7 江南大学硕士学位论文 一般认为，载荷值从零增大到最大值所经历的时间小于被冲击体自振周期的一半时就算是冲击 载荷j ，可见冲击载荷是指外载荷随时间迅速变化的载荷。在冲击动力学中，冲击载荷的形式非 常多，主要包括突然加载产生的冲击、高速物体相互碰撞所产生的冲击、在短时间内由于加速度的 突变而导致的加加速度冲击睇1 等。加加速度j 的含义是指加速度随时间的变化率。即： 砌 7 2 瓦 ( 2 1 ) 加加速度不仅在车辆、电梯以及机械装置中要涉及到，而且在若干动力学模型的研究中也涉及到。 在冲击载荷作用下，结构的响应和表征材料强度的机械性能都和静载荷时有很大的不同。从结 构响应方面来说，冲击载荷在结构中引起的应力和应变值都显著地犬于静载时的应力和应变值，更 为详尽的分析还要考虑到应力波的作用。这就是说，已不能采用静载荷时的应力分析方法。 目前，分析冲击动力学响应问题大体有三种方法： ( 1 ) 试验方法一通过大量的试验，对试验数据进行综合回归分析，这是传统的冲击分析方法。 对测定的数据进行分析得出经验公式，再结合动力学理论对工程上的问题加以研究。这种方法简便 实用，在一定程度上可满足t 程的需要。但是随着冲击问题研究的深化，该方法的局限性越来越 大，已无法满足计算精度的要求。如d u h a m e l 积分、f f r l 都仅适用于线性系统，冲击响应谱仅适 用单自由度隔冲设计。 ( 2 ) 解析方法一通过一些简化假设建立模型，进行理论分析，得到解析解，以较为简洁的形式 给出有关物理量之间的关系。但为了数学解析能得以进行下去，除对结构几何做出简化假设外，必 须对材料特性、破坏机制、运动状态做许多的限制和简化，因而有较大的局限性。 ( 3 ) 数值模拟分析方法一该方法通过对反映冲击问题物理过程实质的五个连续介质力学基本方 程的分析，用有限元法、边界元法或有限差分法等数学手段进行离散化处理，利用现代计算机强大 的计算功能进行数值近似计算，模拟冲击的物理过程，能够完整地给出过程中的全部物理量，数值 模拟技术是现代工程学形成和发展的重要推动力之一。相对而言，该方法省时、省力、节约经费。 如果能与前两种方法结合，就能够更为准确地模拟冲击问题。 连续介质力学的五个基本方程是：连续性方程、动量方程、能量方程、几何方程和本构方程， 而问题的描述还包括边界条件和初始条件。这五个基本方程在一定的边界条件和初始条件下就可以 用解析方法或数值方法求解连续介质力学问题。 本课题主要是将冲击动力学与有限元技术结合应用，利用有限元分析软件进行数值模拟来解决 冲击动力学中的跌落问题。已有的仿真分析【6 3 - 6 6 1 表明，只要合理地模拟结构的边界条件、受载方 式，模拟材料的非线性性能，采用合理的单元类型和网格尺度，并综合考虑冲击动力学分析的各种 因素，数值模拟能够获得较为准确的结果。 2 2 冲击力学问题的有限元理论 2 2 1 有限元法概述 有限单元法 6 7 1 是一种根据变分原理来求解数学、物理问题的数值计算方法，对分析复杂结构 或多自由度系统来说是一种新型而有效的方法。有限元法的基本思想是将连续的求解域离散化为一 组有限个单元的组合体，单元之间通过节点相互联结。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且 单元本身又可以有不同形状，所以可以模型化几何形状复杂的求解域。有限元法的另外一个重要特 点是利用在每一个单元内设定的近似函数来分单元地表示全求解域内待求的未知场变量。每个单元 内的近似函数由未知场函数或其导数在单元各个节点上的数值和与其对应的插值函数来表示。这样 一来，一个问题的有限元分析中，未知场函数及其导数在各个节点上的数值就成为需求解的未知 量，成为自由度。从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。一经求解出这些 未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似 8 第二章冲击动力学理论概述 值。显然，只要改变单元的数目，就可以使解的精确度改变。如果单元满足收敛要求的，近似解最 后将收敛丁精确解。 有限元法不仅具有理论完整可靠，形式单纯、规范，精度和收敛性得到保证等优点，而且可根 据问题的性质构造适_ e j 的单元，从而具有比其它数值方法更广泛的适用范嗣。随着计算机技术的发 展，它已经成为力学的科学研究和i ：程技术所不可缺少的j ：具。因此借助有限元一i ：具，可以得到许 多难以求得解析解问题的可靠数值结果。 2 2 2 有限元法的发展 有限元法起源于1 9 5 6 年，最初由t u r n e r 等人应用于飞机结构分析中并获得成功，他们的研究 工作打开了利用计算机求解复杂平面弹性问题的新局面。c o u r a n t t 6 s j 等人的论文也探讨了早期的有 限元