基于ansys的触屏手机跌落优化设计讲述

PAGE42基于ANSYS的手机产品仿真跌落分析摘要：随着手机电子产品的普及，这些产品在运输和使用过程中频频发生结构上的损坏，其中大部分的损坏是跌落和冲击造成的。手机等电子产品的抗挤压、抗跌落、抗冲击性能是设计人员必须考虑的设计因素，在以前这些性能主要是通过实体的挤压与跌落实验进行分析。但是这类实验存在作用时间短、不易控制、实验费用较高等弊端，更重要的是实体实验必须在产品制造出来以后才能进行，对于设计指导意义不大。实物产品的跌落实验方法已经很难满足产品快速开发的要求，而计算机仿真却能够很好地解决这类问题。本课题主要是以Pro/E、ANSYS为工具，对手机挤压与跌落进行仿真分析。得到手机不同部位挤压与不同跌落方式的变形图和应力图，从而为改进设计提供参考，为运输采用的包装措施提供指导。关键字：有限元分析；手机建模；跌落仿真；ANSYSAnalysisofDrop-impactSimulationofPhoneBasedonANSYSAbstract:Alongwiththepopularizationofthecellphoneandelectronicalproducts,thestructureoftherefrigeratorisfrequentlydamagedintheprocessofusingandtransporting,andmostofthedamageisbroughtfromthedropandimpact.Ourdesignersshouldtakemorefactorsintoconsiderationwhentheypromotetheirnewproducts,suchas,anti-extrusion,anti-impact.Afewyearsago,weoftenadoptthethinkingabouttheexperimentofpractricalmaterial,whichmayleadtomanyproblems,forinstant,expensivecostofpracticalexperimentandwastingtoomuchtime,howeverthepracticalexperimentsometimescan’tshowthefailmechanismofthefridgecompletely.Consequently,itreallytakeslessforourexperiments.soit’sverynecessarytoutilizetheFEA(FiniteElementAnalysis)softwareANSYStoanalyzeandinvestigatethedropsimulationofthephone.Thisissuefocusonthedeformationdiagramandstressdiagramwhilethecellphoneexperiencedifferentmannersofdroppingandextrusion.Throughthoseresultsofanalysis,wecanoptimalourdesignandmakeitmoreaccessibletoourcustomers,onthemeanwhile,italsocanoffersomeideasaboutpackageandtransportationofproducts.Keywords:FiniteElementAnalysis;notebookmodel;dropsimulation;ANSYS1引言1.1课题的研究背景随着现代科技水平的不断进步，对传统制造业工程提出了进一步的发展，要求在短时间对产品性能的可行性和可靠性得出准确的分析。如此随着这些问题应运而生出许多的模拟分析软件，如ansys,abaqus等，这些CAE软件被广泛的运用到了机械，电子，土木等行业中，主要解决一些设计缺陷，强度校核，性能优化设计，选择材料等方面的问题。现在的各行各业中为了减少新产品的生产周期，运用CAD\CAE软件的辅助分析也越来越普及，通过这些软件的分析，对于产品的性能我们有了详细的了解，这样既免去了实物仿真的成本，也节约了大量的时间。本课题就基于这些研究需求上，对实物跌落挤压进行仿真分析，得到应力，应变的分析。通过ANSYS技术帮助用户在手机产品设计定型或生产之前预测，仿真和提高产品的性能质量，降低设计成本，节约资金，缩短产品投放市场的时间，提高竞争力。1.2手机跌落挤压的仿真意义“3C”产品（电视、手机、扫描仪、空调、计算机、电动工具等）在运输、装卸及使用过程中结构可能发生破坏。有接近80％的电子机构产品损坏来自于高速撞击，研发人员往往耗费大量的时间与成本针对产品做相关的品质验证，最常见的结构试验就是跌落和冲击试验，在工业发达国家，电子家电等产品传统的跌落试验越来越多地有计算机仿真来完成，这不仅显著地降低了产品开发费用和缩短了产品的开发周期，而且极大提高了企业研发能力和产品的竞争力。传统的跌落试验有以下局限性：1.必须要有原型机才能进行实验2.很难控制跌落冲击的边界条件3.检测装置固定方式的影响4.只能获得有限数据信息5.很难检测到产品内部的冲击特性6.很难观测到整个跌落冲击过程而计算机模拟仿真通过建立产品的一个有限元模型，就可在计算机中很方便地进行各个方向的跌落分析，能在产品设计样机出来之前就得到结构的响应行为，检查产品的力学性能，预测失效，指导设计优化和验证。手机等电子产品的抗挤压、抗跌落、抗冲击性能是设计人员必须考虑的设计因素，在企业中这些性能主要是通过实体的挤压与跌落实验进行分析。但是这类实验存在作用时间短、不易控制、实验费用较高等弊端，更重要的是实体实验必须在产品制造出来以后才能进行，对于设计指导意义不大。实物产品的跌落实验方法已经很难满足产品快速开发的要求，而计算机仿真却能够很好地解决这类问题。对手机一些核心部件的模拟分析，例如：LCD触摸屏，主板，电池，通过跌落和挤压的动态过程，我们可以设计出性能极佳的手机，增强了手机的可靠性与实用性。1.3课题的研究现状ANSYS在家电，电子产品的性能的运用中还是极其广泛的，电子产品和家电产品通常更新周期都是十分短暂的，如何更好，更准确的提出一系列可行性的设计方案，对于我们设计人员来说是十分的重要的。ANSYS在手机的仿真中发挥着巨大的作用，许多大型公司如NOKIA，SONY，LG，都是采用了CAD建模，CAE分析这样的思想来推出迎合市场的新产品，现在对手机的研究分析主要在手机的跌落和挤压突变时，各部件的强度校核，优化的结构设计，和恢复情况。因为手机的部件十分的复杂，如何简化结构，减少处理难度也是研究人员的重要工作，本课题符合当今市场发展潮流，是未来设计的一种主流趋势。现在ANSYS跌落实验和仿真研究中所注意的问题1．结构的冲击强度设计的结构是否满足冲击强度设计要求，如LCD模组破裂、壳体开裂、电池盖脱落、各种联结失效等。2．关键部件的性能对于关键的部件，它的使用功能在冲击力的作用下是否失效，例如部件所受到的应力是否超出部件材料的屈服极限。3．包装材料是否能满足性能要求对于包装吸能材料的设计是否达到了设计的要求，例如是否能够保证产品在运输过程中的冲击和跌落不会损伤包装里面的产品。4．导致失效的真实原因有时进行了各种改进的设计，但是还是不能满足设计要求，这时通过仿真分析和过程的显示可以发现产品失效的真实原因。5．跌落过程的展现完整展现整个跌落过程，显示接触和碰撞的机理。在本文手机产品的跌落模拟仿真分析中，会对手机壳体结构在设计上是否满足电子产品的强度冲击要求进行确认，对关键部件的性能是否达到了强度冲击要求进行模拟验证，如不符合怎样进行修改再验证等等分析过程，最终还会展现完整跌落过程。下图为lenove公司利用ANSYS进行显卡的仿真，如下图：图1.1显卡示意图图1.2显卡网格图1.4论文的研究内容随着手机产品应用的越来越普遍，现在手机市场的竞争越来越激烈，手机的性能也越来越受到人们的关注，除了手机硬件的关注外，也已开始关注其抗震、抗冲击特性。因为，在今天工作的人们，手机已经充当了我们生活中的便捷银行，交往社区，，那么稳定的手机性能是必不可少的，为此我们对手机进行了仿真跌落分析。现在，为了分析手机的跌落性能，改善它的易破裂性，我们需要模拟其性质，研究其跌落过程中的受力、变形情况，设计出一种具有良好的抗冲击、不易破裂的结构，通过分析所得实验结果,可以采取不同的防范措施来达到最大程度地降低产品破损率的目的。我们可以用一个流程图来表示一下我们的工作：新产品预想模型新产品预想模型（这里我们主要是运用PROE软件进行建模，在建模过程中，尽可能的简化模型，初步拟为手机的四个部件，电池，前壳，LCD屏幕，CAD软件模型的建立后盖）CAD软件模型的建立选择CAE软件进行仿真分析选择CAE软件进行仿真分析（这里选择比较通用的ANSYS软件）得出结论，并加以改进，完善新产品得出结论，并加以改进，完善新产品图1.3工作流程图2手机模型的三维建立2.1三维造型软件PRO\E的介绍Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。我们选择PRO\E建模基于软件自身的几个个重要特征：1．参数化设计：相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。2．基于特征模型：Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。3．单一数据库：Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，NC数控工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维造型上。这种独特的数据造型与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。2.2手机的结构及其造型2.2.1手机的组成及其简化我们这次分析的手机采用的是LG公司的LCD触屏手机，型号是GD510,时下触屏手机在市场上越来越受欢迎，这就要求我们设计人员要及时进行产品设计的改变，这里是手机的结构图：图2.1手机模型图图2.2手机前壳图图2.3手机后盖图在建模过程中我们尽可能的简化模型，减少运算的时间，对此我们将手机中若干的连接件省略，但是在后期的ANSYS分析中用边界条件和约束加以补充即可，手机上一些数据口也可省略，因为在实际过程中我们仿真的主要目的是关键部件的屈服强度和材料性能。2.2.2模型的建立基于两款手机实物，我们可以用PRO\E进行造型了，根据之前的简化想我们将手机简化为前壳，屏幕，电池，后盖，以下为建模的详细过程：前壳：图2.4手机前壳图尺寸（180*100*15）mm图2.5手机前壳图图2.6屏幕和前壳的卡槽连接图屏幕和电池，我们简化为两个直板，虽然造型简单，但是是关键部件所以我们不能省略，如下：图2.7屏幕图2.8电池图后盖：图2.9后盖图图2.10红色的为后盖连接的卡槽简化图装配图：图2.11装配体图最后，我们用于仿真分析的造型通过我们简化基本已经形成。2.3本章小节本章介绍了三维建模软件Pro/E，对手机的组成做了简单的概述；对于手机模型的建模简化进行了详细的讨论；最后使用Pro/E建立了手机的零部件及装配体。3有限元的仿真介绍3.1概述有限元分析（FEA，FiniteElementAnalysis）利用数学近似的方法对真实物理系统几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统，或者我们也可以理解为有限元分析是使用有限元方法来分析静态或动态的物理物体或物理系统。在这种方法中一个物体或系统被分解为由多个相互联结的、简单、独立的点组成的几何模型。在这种方法中这些独立的点的数量是有限的，因此被称为有限元。由实际的物理模型中推导出来得平衡方程式被使用到每个点上，由此产生了一个方程组。这个方程组可以用线性代数的方法来求解。有限元分析的精确度无法无限提高。元的数目到达一定高度后解的精确度不再提高，只有计算时间不断提高。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。3.2有限单元法简介有限单元法是在当今工程分析中获得最广泛应用的数值计算法，由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视，伴随着计算机科学技术的快速发展，现在已经成为CAD,CAM的重要组成部分。有限单元法，是一种有效解决数学问题的解题方法。其基础是变分原理和加权余量法，其基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。采用不同的权函数和插值函数形式，便构成不同的有限元方法。有限元方法最早应用于结构力学，后来随着计算机的发展慢慢用于流体力学的数值模拟。单元法其基本思路和解题步骤:(1)建立积分方程:根据变分原理或方程余量与权函数正交化原理，建立与微分方程初边值问题等价的积分表达式，这是其出发点。(2)区域单元剖分：根据求解区域的形状及实际问题的物理特点，将区域剖分为若干相互连接、不重叠的单元。区域单元划分是采用有限元方法的前期准备工作，这部分工作量比较大，除了给计算单元和节点进行编号和确定相互之间的关系之外，还要表示节点的位置坐标，同时还需要列出自然边界和本质边界的节点序号和相应的边界值。(3)确定单元基函数:根据单元中节点数目及对近似解精度的要求，选择满足一定插值条件的插值函数作为单元基函数。有限元方法中的基函数是在单元中选取的，由于各单元具有规则的几何形状，在选取基函数时可遵循一定的法则。(4)单元分析：将各个单元中的求解函数用单元基函数的线性组合表达式进行逼近；再将近似函数代入积分方程，并对单元区域进行积分，可获得含有待定系数(即单元中各节点的参数值)的代数方程组，称为单元有限元方程。(5)总体合成：在得出单元有限元方程之后，将区域中所有单元有限元方程按一定法则进行累加，形成总体有限元方程。(6)边界条件的处理：一般边界条件有三种形式，分为本质边界条件(狄里克雷边界条件)、自然边界条件(黎曼边界条件)、混合边界条件(柯西边界条件)。对于自然边界条件，一般在积分表达式中可自动得到满足。对于本质边界条件和混合边界条件，需按一定法则对总体有限元方程进行修正满足。(7)解有限元方程：根据边界条件修正的总体有限元方程组，是含所有待定未知量的封闭方程组，采用适当的数值计算方法求解，可求得各节点的函数值。3.3有限元软件ANSYS的介绍3.3.1ANSYS的发展和特点ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer,NASTRAN,Alogor,I－DEAS,AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。ANSYS，Inc.(NASDAQ:ANSS)成立于1970年，致力于工程仿真软件和技术的研发，在全球众多行业中，被工程师和设计师广泛采用。ANSYS公司重点开发开放、灵活的，对设计直接进行仿真的解决方案，提供从概念设计到最终测试产品研发全过程的统一平台，同时追求快速、高效和和成本意识的产品开发。ANSYS公司于2006年收购了在流体仿真领域处于领导地位的美国Fluent公司，于2008年收购了在电路和电磁仿真领域处于领导地位的美国Ansoft公司。通过整合，ANSYS公司成为全球最大的仿真软件公司。目前，ANSYS整个产品线包括结构分析(ANSYSMechanical)系列，流体动力学(ANSYSCFD(FLUENT/CFX）)系列，电子设计（ANSYSANSOFT）系列以及ANSYSWorkbench和EKM等。产品广泛应用于航空、航天、电子、车辆、船舶、交通、通信、建筑、电子、医疗、国防、石油、化工等众多行业。本次分析我们将采用ANSYSSTRUCTRAL和LS-DYNA模块。3.3.2ANSYS软件的组织结构ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。分析计算模块：1.结构静力分析：用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。2.结构动力学分析：结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。3.结构非线性分析：结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。4.动力学分析：ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。5.热分析：程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热－结构耦合分析能力。6.电磁场分析：主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。7.流体动力学分析：ANSYS流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热－流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。8.声场分析：程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布，或预测水对振动船体的阻尼效应。9.压电分析：用于分析二维或三维结构对AC（交流）、DC（直流）或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。可进行四种类型的分析：静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析。后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。3.3.3ANSYS软件的分析步骤这里主要介绍与我们有关的两种，一种是静力学分析，一种是瞬态动力学分析。一、静力分析基本步骤1、确定结构的分析方案（线、面、体）：桁架、壳、实体等；注意线性单元和高次单元的使用；对称性等简化方法的运用。

2、根据分析的类型确定单元类型、实常量等，特别是单元类型的某些选项，对于某些分析十分重要。

3、设定材料模型。

4、采用各种方法建立模型。在进行布尔运算时特别注意运算对以后分析的影响，尤其是在某些情况下有些网格较难生成，因此对于布尔运算要慎重考虑，为解决该问题应尽量采用几何体素直接建模。

5、将材料、实常量等参数赋给模型，在某些情况下可以同时指定方向点。

6、按情况划分网格：自由网格或自由网格，设置合适的网格密度等，尤其注意网格设。

7、在生成节点和单元后，根据实际情况定义接触单元、自由度的耦合及约束方程等。

8、施加力和约束等，求解时注意设置合适的求解选项。

9、进入后处理菜单获得计算结果等，评价分析结果。二、瞬态动力学分析（LS-DYNA）瞬态动力学分析（亦称时间历程分析）用于确定承受任意的随时间变化载荷结构的动力学响应。

1、导入建好的模型。

2、选择分析类型和选项，选择单元类型，确定材料参数性能和单元的实常数。

3、选择合适的方法划分网格，并规定边界条件和初始条件；

4、确定初始条件后进行分后处理，最后评价分析结果。3.4ANSYS\LS-DYNA的简介LS-DYNA是世界上最著名的通用显式动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及流固耦合问题。在工程应用领域被广泛认可为最佳的分析软件包。与实验的无数次对比证实了其计算的可靠性。LS-DYNA具有多样化的特点，如：1.分析能力：非线性动力学分析，多刚体动力学分析，准静态分析，热分析，结构-热耦合分析，流体分析。2.材料模式库：金属，塑料，玻璃，泡沫，编制品，橡胶蜂窝材料复合材料，混凝土和土壤，炸药，推进剂，粘性流体，用户自定义材。3.单元库：体单元，薄/厚壳单元，梁单元，焊接单元，离散单元束和索单元，安全带单元，节点质量单元，SPH单元。4.接触方式：柔体对柔体接触，柔体对刚体接触，刚体对刚体接触边-边接触，侵蚀接触，充气模型，约束面，刚墙面，拉延筋。5.初始条件、载荷和约束功能：初始速度、初应力、初应变、初始动量（模拟脉冲载荷），高能炸药起爆节点载荷、压力载荷、体力载荷、热载荷、重力载荷，循环约束、对称约束（带失效）、无反射边界，给定节点运动（速度、加速度或位移）、节点约束，铆接、焊接（点焊、对焊、角焊）。6.前后处理功：LS-DYNA利用ANSYS、LS-INGRID、ETA/FEMB及LS-POST强大的前后处理模块，具有多种自动网格划分选择，并可与大多数的CAD/CAE软件集成并有接口。后处理：结果的彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、等值面、粒子流迹显示、立体切片、透明及半透明显示；变形显示及各种动画显示；图形的PS、TIFF及HPGL格式输出与转换等。7.隐式求解：用于非线性结构静动力分析，包括结构固有频率和振型计算。LS-DYNA中可以交替使用隐式求解和显式求解，进行薄板冲压成型的回弹计算、结构动力分析之前施加预应力等。3.5本章小节本章介绍有限元单元法仿真的相关内容，简单的介绍有限元的发展过程，有限单元法的基本思想和基本的求解思路；同时介绍了大型通用有限元分析软件AANSYS的特点、发展、组织机构、求解流程及其在CAE中的地位；概述了显式动力学LS-DYNA。4手机的跌落仿真分析4.1仿真的基本思想（1）主要设计内容：手机三维模型建立，模拟各个部位跌落受到不同冲击力的情况，绘制应力分布图，应力曲线。（2）预期设计效果：布局合理、功能完善，能完整模拟出手机跌落情况。（3）拟解决问题：1、多样化手机跌落受力仿真。合理利用Pro/E、ANSYS软件模拟绘制结构模型。提出准确的减小损害的方法。 工作的流程图：将模型导入ansys中的ls-dyna模块合理的划分网格，设置材料属性。Proe中对手机模型的建立将模型导入ansys中的ls-dyna模块合理的划分网格，设置材料属性。Proe中对手机模型的建立

得出结论，并且改进方案，对模型改进跌落仿真分析，得到应力图得出结论，并且改进方案，对模型改进跌落仿真分析，得到应力图图4.1流程图4.2跌落仿真的过程4.2.1pro\e模型的导入在ANSYS中以体的模式导入装配体的模型，如下图：图4.2导入模型图4.2.2单元类型，实常数和材料模型的定义定义单元类型：在定义单元类型我们用到了shell163和solid164两种单元，对于电池使用164体单元，LCD屏幕，前壳，后盖使用163壳单元。Shell163:它是一个4-节点四边形单元或3节点三角形单元，有弯曲和膜特征，可加平面和法向载荷，单元在每个节点12个自由度，在节点x,y,和z方向的平动，加速度，速度和绕x,y和z轴的转动，本单元只用于显示动力学分析。Sloid164:它被用于3维的显示结构实体，是个8节点六面体单元。节点在x,y,z方向的平移，速度和加速度的自由度，同样它也用于显示动力学。简单的说，对于一般的薄壳板，我们选择shell163,，对于厚板我们尽量选择solid164的单元图4.3单元类型图实常数：这里只需要对shell163壳单元定义，包括剪切因子，积分点和壳厚等.SHELL163提供了如下实常数.SHRF是剪切因数.NIP是通过单元厚度的积分点数值,最大值为100.如果NIP输入值为0或空,ANSYS会默认积分值为2.T1-T4是四个节点中每个节点处的壳厚度.图4.4单元属性图材料的属性：前壳和后盖选同样的材料为(ABS+PC的复合材料)，LCD选择玻璃树脂复合材料，电池选择锂电池（这里为实体单元，不必定义屈服强度和切线模量）。图4.5参数设置图项目剪切因子积分点数壳厚前壳132后盖131LCD屏幕131表4.1手机的实常数定义表项目密度\T·mm-3弹性模量\MPA迫松比屈服强度\MPA切线模量\MPA前壳，后盖1.5e-9180000.352565000LCD2.5e-9120000.31381000电池6.9e-9750000.2\\表4.2材料属性定义表 4.3生成有限元模型4.3.1网格的划分在划分网格前，必须指定每个部件所对应的单元类型，材料属性，实常数，如下：

项目材料模型号实常数单元类型号前壳12Shell163后盖11Shell163LCD21Shell163电池31Solid164表4.3各部件的属性图图4.6部件属性图根据此表格，进行网格划分，在网格划分的过程中，应该注意如下的问题：（1）如何控制好网格的密度，减少运算的时间，因为网格划分的越精密，计算时间久就越长，耗费的陈本就越高（2）如何选择area和volume划分网格，在这个分析中电池除外的部件采用area划分网格，电池采用volume划分网格，因为电池在跌落中一般影响不会太大。(3)free（自由网格)自由网格是最为灵活的网格划分技术，几乎可以用于任意的几何形状,模型中前壳，后盖，屏幕采用free划分网格。（4）sweep（扫掠网格)对于二维区域，首先在边上生成网格，然后沿扫掠路径拉伸，得到二维网格；对于三维区域，首先在面上生成网格，然后沿扫掠路径拉伸，得到三维网格，扫掠网格同样也只适用于某些特定的几何区域。模型中电池采用sweep划分网格。网格划分步骤：（1）点击selectentities,选择volumes\apply,然后点击area\attachto，完成选中工作。（2）点击工具栏中的mesh按钮，弹出meshtool对话框，选择area，在弹出的对话框中选择loop,点击ok，即全部选中所需的面。在areaattribute赋予相应面的属性，具体如表3，（3）在size，点击loop，选中所需的所有面，选择size5的精度，点击ok.(4)最后点击mesh,选择area的free划分，点击ok按钮，就完成了对前壳的划分网格。（5）选择selecteverything,点击plotvolumes,然后依次对其他部件操作网格的划分，其中电池的mesh选择volumes\quid\sweep,即映射的六面体网格，点击ok.完成网格的划分，如下图：图4.7划分好的网格4.3.2生成part文件和定义接触完成划分网格后，点击createallparts，即生成：图4.8part文件图在模型简化时省略的一些连接件，这里用定义接触来补充，对手机来说一共要定义3组接触，后盖与前壳，电池与前壳，LCD与前壳。在面面相接触时选择nodetosurface\general图4.9各个part之间的接触图项目静摩擦系数动摩擦系数粘性阻尼系数1-1-1-表4.4接触系数表这样，ansys的前处理模块中的有限元模型基本建立。4.4droptest模块中仿真分析4.4.1跌落的基本参数设置根据国家标准，跌落高度优先选择2000mm，跌落方式分为3种，水平，竖直，斜角，设置碰撞时间为0.02s，并且跌落方式为自由落体，与地面刚性接触，如下：图4.10参数设置图3种跌落方式图4.11依次水平，竖直，倾斜图对上述参数合理设置后，即可求解。4.4.2仿真结果分析水平跌落：结果分析内容主要集中在：1.各个部件的最大应力强度是不是在最大屈服强度之内。2.每个连接部位的最大应力3.后盖，电池有无脱落的危险整体接触瞬间应力如下：图4.12整体应力图手机整体没有较大形变，并且应力在较短时间散去，整体设计基本合理图4.13后盖应力图但是后盖上出现了最大的应力，并且出现在连接的卡槽出，最大应力超出了材料的最大屈服强度，可能导致卡槽的破裂，变形，导致后盖的脱落，此处设计需要改进。图4.14前壳应力图图4.15屏幕应力图其他部件应力图都没有超出最大屈服强度，说明在水平跌落的方式下，手机设计基本合理。图4.16y轴加速度图图4.17y轴位移图数据符合自由落体的规律，模拟仿真基本合理。竖直跌落：分析过程同水平图4.18整体应力图图中可以看出整体的最大应力是远小于各种材料的屈服应力，并且在较短时间应力消失，所以整体设计基本合理。图4.19后盖应力图后盖的最大应力出现在卡槽上接触面上，但是小于屈服强度，基本合理。图4.20前壳应力图最大应力出现在前壳的卡槽中，对周围壳体有一定影响，但属于正常范围。图4.21y轴位移图图4.22y轴加速度以上数据基本符合自由落体规律，仿真基本合理。倾斜跌落：图4.23整体应力图整体的接触瞬间应力图，这个应力已经远远超出了ABS+PC材料的屈服强度，可能导致外壳的破裂，部件的损害等。后盖的应力图：图4.24后盖应力图应力在正常安全范围内，设计基本合理。最大应力出现在前壳接触点：图4.25前壳应力图前壳在跌落中直接与地面碰撞，受影响大。LCD屏幕应力图：图4.26屏幕应力图图中看出接触瞬间在屏幕的最大应力已经快接近材料的屈服强度，并且倾斜跌落多是角接触，应力多集中在连接处，因此LCD与前壳的接触需要合理的改进。图4.27y轴加速度图图4.28y轴的位移图通过观察上述参数的变化，基本符合自由落体的规律，仿真数据基本合理。4.5设计方案的总结和改进从3种跌落分析中，我们得出一个数据表：项目最大应力\MP有无形变应力场转移最大应力部件水平328.385有微小形变慢后盖卡槽竖直88.16基本无慢前壳卡槽倾斜633.75有形变慢前壳接触点表4.5仿真结论从表格中可以看出，我们设计的手机产品在水平和倾斜跌落均有发生外壳破裂，后盖脱落的危险，并且卡槽在跌落过程中均受到较大的应力冲击，这对于产品的寿命有不利的影响，三种跌落方式的应力场在较短时间内都没有及时的消失和转移，这对在实际跌落过程中每个零件的寿命是不利的。改进方案：（1）后盖的卡槽设计需要改进，卡槽设计不合理，跌落过程中，电池就会弹出，这对手机寿命有较大影响。1.改变后盖的材料，增加其屈服强度，比如选择不锈钢合金，铝镁合金等。2.后盖卡槽设计多采用一些物理的机锁，比如增加后盖和前壳的卡槽数量。（2）倾斜跌落是最可能发生的，在其跌落时，前壳接触点的屈服强度和LCD屏幕的连接设计存在不合理。1.在手机上尽量增加平滑的过渡，避免尖角的存在，这样既美观又增加了其安全性，可靠性。2.在手机的前壳的加一圈铝镁合金套，或者屈服强度较大，塑性好的材料。3.屏幕的连接处虽然处于安全范围内，但是所产生的应力也比较大，对手机可用性产生影响，可以将连接处的材料换成一些合金材料。例如：（增加了合金的边框）（尽量平滑手机结构）(增加物理机锁，此图一共12个机锁)图4.28手机图4.6本章小结本章介绍了跌落分析的概况，国家关于跌落分析的标准，详细介绍了ANSYS的前处理，包括创建截面材料和属性，定义分析步，创建接触，划分网格，并详细介绍了网格划分的步骤。进行了水平，竖直，倾斜的手机跌落试验，分析了手机的应力云图，加载了手机最低点的位移图和加速度图。最后对手机的设计提出了几种优化