摘要：電工電子產(chǎn)品的環(huán)境試驗多在產(chǎn)品開發(fā)后期進行，屬于實物試驗。采用CAE技術(shù)對產(chǎn)品環(huán)境試驗進行仿真，可在實物樣機制出前進行，能夠有效地發(fā)現(xiàn)設計缺陷。本文基于I-DEAS 軟件系統(tǒng)，研究了對手機類產(chǎn)品環(huán)境試驗的靜態(tài)施壓和自由跌落試驗進行仿真的方法。手機屬小型復雜結(jié)構(gòu)，試驗仿真的重要內(nèi)容是裝配體結(jié)構(gòu)的有限元離散。文中采用了針對此類復雜結(jié)構(gòu)的離散化方法---分區(qū)法，成功地進行了手機裝配體的有限元網(wǎng)絡劃分。對手機靜態(tài)施壓和自由跌落試驗后的響應進行了仿真，并對仿真結(jié)果進行了分析,結(jié)果與實物試驗基本符合。
關(guān)鍵詞：環(huán)境試驗 CAE仿真 手機設計 I-DEAS 網(wǎng)格劃分

1 引言

按照國家電工電子產(chǎn)品的環(huán)境試驗有關(guān)標準規(guī)定，對手機類產(chǎn)品來說，其中兩項重要的試驗項目是施壓和自由跌落。生產(chǎn)廠家一般情況下都要對產(chǎn)品實物進行試驗,但實物試驗的缺點是：驗后結(jié)論，即只有在試驗完成后才知道設計是否有缺陷，而此時修改設計花費的時間和費用較高，不利于產(chǎn)品快速推向市場；屬外觀觀察試驗，無缺陷的原因和機理分析報告，無法提供足夠的改進信息；費用較高，試驗具有破壞性質(zhì)，費用高；經(jīng)驗不易積累，產(chǎn)品開發(fā)水平不易提高，有時由于人員的變動，甚至造成相關(guān)經(jīng)驗的流失。

為此采用以有限元技術(shù)為核心的CAE方法對實驗進行仿真。其方法是：在產(chǎn)品設計開發(fā)過程中，利用CAE手段對手機的自由跌落過程進行模擬仿真，根據(jù)仿真結(jié)果來確定薄弱環(huán)節(jié)，從而指導設計修改，對修改后的設計模型再重復上述過程，直到滿意為止。

2 模型結(jié)構(gòu)分析及有限元離散

應用有限單元法對工程結(jié)構(gòu)進行分析包括從結(jié)構(gòu)的物理力學模型抽象為有限元計算的數(shù)學模型、計算程序的選擇和修改、在計算機上的解算、以及計算前后大量信息的數(shù)據(jù)處理等這樣一個全過程。其中，對結(jié)構(gòu)的單元化離散是所有工作順利進行的基礎(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，對于大型或相對簡單的結(jié)構(gòu)基本不需要人工干預即可完成結(jié)構(gòu)的離散。但對于復雜、細小的結(jié)構(gòu)，在進行單元化離散時，大多數(shù)軟件的自動劃分功能都顯得無能為力，手工劃分更不可能。此時通常采用兩種方法：1）簡化結(jié)構(gòu)。將尖角、細孔等細微結(jié)構(gòu)在造型設計軟件中消除或以其他結(jié)構(gòu)代替。但也許簡化部分的結(jié)構(gòu)恰恰是分析所應關(guān)注的部分，大部分情況下這種簡化是不允許的；2）采用充分小的單元。為了使離散結(jié)果更接近于真實化，可采用充分小的單元，這種離散的結(jié)果直接導致計算處理時間成幾何級數(shù)上升，大多數(shù)情況下導致計算失敗。

本文以一手機為例，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

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

1） 透明Lens：曲面殼體結(jié)構(gòu)，起到保護LCD的作用，其上開有按鍵孔、細小的耳機孔和話筒孔，下部有十幾個直徑約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螺釘固定在一起；天線與后蓋通過螺栓連接。

圖1 手機主要結(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)簡化

出于設計及工藝上的考慮，外殼每個部分的厚度幾乎均不相同。對這些細微結(jié)構(gòu)進行簡化顯然是行不通的，因為這些簡化將使結(jié)構(gòu)失去主要的結(jié)構(gòu)特點，從而使下一步的計算分析失去存在的意義。從設計的觀點來看，結(jié)構(gòu)的簡化將花費大量的時間進行造型的修改與重建，這與要求對結(jié)構(gòu)盡快做出分析來提供參考的初衷相悖。

因此，對Lens、前后蓋、電池蓋以及天線部分不做任何簡化，對電池、PCB板及LCD考慮到實際情況作如下簡化：忽略電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，量取其外觀尺寸重新簡單造型；忽略PCB板上眾多細小芯片，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)。一般來說，對板殼類結(jié)構(gòu)，采用板殼單元不但能獲得較好的單元質(zhì)量，且能大大減少計算量。但用板殼單元進行離散并計算后，發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果與實際存在著明顯的差別。

在單元劃分時，很多有限元分析軟件都有強大的網(wǎng)格自動生成功能。在選用板殼類單元時，通過人機對話創(chuàng)建一個或多個指定厚度的“母元”。實際進行劃分時，選定劃分表面后，還需要指定單元長度和使用的“母元”。對于復雜的手機結(jié)構(gòu)，由于表面數(shù)目很大（手機前蓋有近2000個表面）且大部分非常細小，將它們分別進行選取是不可能的，只能在取出一部分較大表面后采用“全選”功能整體選取，那么在劃分時它們采用的也都是同一個“母元”，但事實上他們的厚度都是不同的。即使對于一些較大表面，其厚度也是變化的。

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

3）單元化離散的“分區(qū)法”

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

劃分步驟如下：首先，指定一個理想的單元長度（根據(jù)大致的厚度分布來確定）對結(jié)構(gòu)整體進行離散，在遇到提示失敗時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提供了一個很有用的分區(qū)工具命令“Partition”[2]，它可以將一個實體分割而實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。重復以上過程直到無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)，指定相對較小的單元長度進行離散，直到離散成功。同時，對這些分區(qū)也可使用上述方法進行更小的分區(qū)。考慮到不同分區(qū)的單元聯(lián)結(jié)，在指定單元長度時應注意較小單元長度應盡量與較大單元長度保持倍數(shù)關(guān)系。圖2為后蓋一個分區(qū)的單元離散結(jié)果。

圖2 后蓋一個分區(qū)的單元離散結(jié)果

采用以上方法，一般情況下不必對分離區(qū)進行二次分離即可對結(jié)構(gòu)單元化離散成功。只有對特別細小復雜的表面結(jié)構(gòu)需進行二次分區(qū)。

4) 病態(tài)單元的排除

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

3 模型解算及試驗工況仿真

3.1 施壓試驗

施壓試驗中一個重要的內(nèi)容是各相鄰件之間的接觸面的設定，接觸面以受壓時實際可能發(fā)生接觸的表面成對組成。需要注意的是接觸面的搜索距離，搜索距離不可設定過大，否則將會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

首先，對模型進行自由振動分析，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

國家標準規(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，超過國家標準。跌落碰撞時間選為0.01秒，跌落方向已在圖1中標出。

經(jīng)計算后的各主要部分最大應力及位移如表2所示。

3.3 仿真結(jié)果分析

3.3.1 施壓試驗仿真結(jié)果分析

最大位移和最大應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是因齒牙處的后蓋部分是空的，無約束所至；最大應力均超過許用應力，考慮到其為塑料材料，去除PC/ABS不同牌號的個體差異，幾種施力的結(jié)果可能引起永久性的塑性變形或斷裂。建議在設計時將齒牙各個邊緣改為過渡圓角并適當增加齒牙厚度。其他部位從計算結(jié)果來看還有較大的余量，但要結(jié)合自由跌落仿真的結(jié)果來確定哪些部位余量較大，哪些部位相對較為薄弱。圖3為電池蓋施加壓力20Kg時的變形圖。

圖3 電池蓋施加壓力20Kg時的變形結(jié)果

3.3.2 自由跌落試驗仿真結(jié)果分析

從計算結(jié)果來看，Lens與電池蓋部分的應力之仍有較大富裕，仍有減薄余地，最大應力發(fā)生于Lens定位銷或電池蓋卡扣處，在設計時應作為考慮的重點。值得注意的是在天線著地的跌落過程中，天線頂部的相對位移達1.38mm，前后蓋上發(fā)生的最大應力超出許用應力很多，最大應力發(fā)生于天線安裝孔在后蓋上的過渡處，這預示著跌落發(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。同時也應注意到，此時Lens部分所發(fā)生的最大變形為0.485mm，這預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，在設計修改時，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定位部分重新設計。

4 結(jié)論

利用CAE工具，對產(chǎn)品的施壓試驗和自由跌落試驗工況進行仿真。通過對仿真結(jié)果的分析，能夠為產(chǎn)品的設計開發(fā)及改型提供一定的依據(jù)。采用試驗仿真可達到以下效果：事先預測，在制作樣機前即可預知設計是否存在設計缺陷，因此可及時修改設計，縮短開發(fā)循環(huán)過程，加速產(chǎn)品開發(fā)過程；詳細實驗報告，提供量化分析報告，指明缺陷的部位及產(chǎn)生的原因，為設計人員提供修改設計依據(jù)，逐步完善設計，提高了設計質(zhì)量；費用低，試驗時間短，建模時間相對于制造樣機大大縮短，費用低；知識積累，開發(fā)的經(jīng)驗形成知識，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%以上是由設計決定的，因此采用手機施壓與自由跌落仿真試驗能有效地發(fā)現(xiàn)和改進設計缺陷，起到省時、節(jié)約成本和提高設計質(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)格自動生成功能，但在實際使用中尤其是遇到復雜結(jié)構(gòu)時總會遇到這樣和那樣的困難，離散的方法也不是一層不變的。