基于ABAQUS断裂失效仿真在对讲机中的应用

基于基于 ABAQUSABAQUS 断裂断裂失效仿真在对讲机中的应用失效仿真在对讲机中的应用 郑贤文 雷卫强 海能达通信股份有限公司 深圳 摘要 本文以大型通用分析软件 ABAQUS 为平台 对对讲机进行跌落仿真 模拟对讲机跌落过程 中的断裂失效行为 并与测试进行对比验证 关键字 ABAQUS 对讲机 断裂失效 0 引言 目前 ABAQUS 在电子通信行业的仿真应用已经十分广泛 特别是手机行业 跌落可靠性仿真 已成为手机研发过程中不可或缺的一个环节 并且各种失效判据已然十分完善 然而 无论是在 手机行业 还是在其他通信行业 直接去模拟结构的断裂失效行为依然十分鲜见 ABAQUS 具有强大的断裂失效仿真能力 它拥有丰富的断裂失效准则 能模拟韧性失效 脆性 失效以及复合材料损伤失效等多种失效模式 对讲机特定的目标用户群和特殊的使用环境 决定了它必须具有较高的结构可靠性 利用 ABAQUS 直接模拟对讲机跌落断裂失效行为 是提升对讲机跌落可靠性的有力工具 1 Ductile Damage 失效准则 目前仿真应用最多的失效准则是常应变准则 但此准则过于简单 没有考虑应力状态 应变率 等因素的影响 无法准确模拟结构的断裂行为 因而 必须另辟蹊径采用其他失效准则 ABAQUS 为韧性材料提供了多种失效准则 其中 常用的失效准则可以分为以下两大类 如图 1 图 1 常用失效准则 材料断裂失效可以简单地分为损伤萌生及损伤累计两个过程 如图 2 失效类别 准则名称 表达式 韧窝型断裂 Ductile Damage John Cook J C damage f D1 D2 exp D3 剪切型断裂 Shear Damage 图 2 断裂失效过程 对 Ductile Damage 失效准则而言 损伤开始产生时 ABAQUS 假定等效塑性应变是关于应力三轴度和等效塑性应变率的函 数 当损伤累计值 时 材料发生断裂 ABAQUS 便删去断裂处的单元 Ductile Damage 失效参数可以通过缺口试样测试及拟合获取 思路如图 3 图 3 失效参数拟合 开始断裂损伤 完全断裂失效 单轴拉伸测试 测试数据处理 及 FEM 拟合 材料弹塑性力学 性能参数 缺口试样拉伸测试 缺口试样压缩测试 缺口试样剪切测试 等效塑性断裂应变 应力三轴度 测试数据处理及 FEM 拟合 Ductile Damage 失效准则相较其他失效准则具有参数获取容易 适用类型广泛等特点 因而采 用此准则模拟韧性材料跌落的断裂失效行为 2 有限元模型建立 2 1 Ductile Damage 定义 对讲机面壳材料为SABIC某PC材料 对其定义多组不同应变率及不同应力三轴度下的断裂应变 每组数据代表在一定的应变率下 当应力三轴度达到某值 X 并且断裂等效塑性应变达到某值 Y 时 材料发生初始断裂损伤 Damage Initiation criterion DUCTILE 1 0 33 0 0 045 0 0 0 051 0 33 0 0 04 0 5 0 0 04 0 6 0 0 9 0 33 100 0 025 0 100 0 028 0 33 100 0 024 0 5 100 0 02 0 6 100 0 7 0 33 200 0 021 0 200 0 024 0 33 200 0 02 0 5 200 0 018 0 6 200 定义损伤演化 Damage Evolution type DISPLACEMENT 0 015 2 2 失效接触定义 定义了失效准则后 ABAQUS 通过删除单元的方式去表示材料断裂失效行为 但是 ABAQUS 跌 落仿真的通用接触定义 只定义了单元的表面接触 当单元删除后 单元内部的接触不会发生 这与实际并不相符 因而 必须定义单元的内部接触 建立仿真模型单元集 Set 1 在 end assemble 前插入如下关键字 Surface type element name SUR 1 Set 1 Set 1 interior SUR 1 并修改关键字 Contact Inclusions SUR 1 2 3 分析模型与算法 分析模型如图 4 零部件 材料 连接关系 单元类型 面壳 PC MPC 连接 C3D10M TP 康宁大猩猩 粘单元连接 C3D8I 中框 ADC12 TIE 连接 C3D10M 电池壳 PC CONTACT 连接 C3D10M PCB 各向异性 CONTACT 连接 C3D8I 图 4 部件材料及单元定义 采用 ABAQUS 显式动力学算法 模拟对讲机跌落冲击动力学过程 总共 250 万单元 如图 5 图 5 有限元模型 输出单元状态变量 以显示单元是否删除 Element Output directions YES EVF LE PE PEEQ PEEQVAVG PEVAVG S STATUS SVAVG 3 结果分析与判断 当计算时长为 0 4 毫秒时 薄弱区域的应力场云图如图 6 图 6 由云图可以看出 A 和 B 处应力集中 均超过了 150MPA 为危险区域 此刻 薄弱处发生悬臂梁式弯曲变形 相对变形云图及 A 和 B 处的应力三轴度变化如图 7 图 7 由图表可以看出 A 和 B 处的应力三轴度峰值达到 0 6 以上 跌落过程的瞬间 A 和 B 处均有较长 一段时间处于高应力三轴度状态 并且处于弯曲变形 此时 A 和 B 处抗应力集中能力低 当等效 塑性应变接近断裂塑性应变极限时 极容易产生裂纹 当计算时长为 0 5 毫秒时 薄弱处塑性变形云图如图 8 C B A 图 8 0 5ms 塑性变形 A 处和 B 处的等效塑性应变分别为 0 017 和 0 016 接近 0 6 应力三轴度对应的断裂塑性应变 0 018 而此刻电池作用在面壳薄弱处的动能还并未完全释放 如图 9 图 9 B A 0 5 毫秒时 电池还有将近 300mJ 动能未完全释放 根据上述分析 当电池动能完全释放 极 可能从 A 处产生裂纹 并最终撕裂 当对讲机跌落反弹离开地面时 我们认为模拟跌落过程完成 基于计算成本及分析结果综合考量 不考虑反弹后二次跌落的影响 薄弱处产生了裂纹并且发生了扩张 如图 10 图 10 裂纹区域 最终我们认为 对讲机跌落后 裂纹从 A 处产生 然后扩张撕裂 最终面壳凸起的这一小块会撕 裂断掉 4 测试验证对比 图 11 图 11 仿真与实际测试对比 测