CAE仿真技術(shù)在電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用

0 引 言

接觸和碰撞是生產(chǎn)、生活中普遍存在的力學(xué)問題。例如汽車、飛機(jī)、火車、船舶等運(yùn)輸工具的碰撞，以及包裝體、通信設(shè)備、消費(fèi)性電子產(chǎn)品、醫(yī)療箱等產(chǎn)品的跌落，可以說接觸碰撞是無處不在、不可避免的。有關(guān)研究表明，在新產(chǎn)品研制過程中，約70%～80%的成本耗費(fèi)于設(shè)計(jì)階段，因?yàn)樵谶@個(gè)過程中，存在著因產(chǎn)品設(shè)計(jì)存在缺陷而導(dǎo)致產(chǎn)品重復(fù)修改、甚至重新設(shè)計(jì)，不僅耗費(fèi)時(shí)問精力，而且造成產(chǎn)品成本上升、不能按時(shí)投放市場。近些年來，由于計(jì)算機(jī)軟硬件和有限元理論的迅速發(fā)展，運(yùn)用CAE(計(jì)算機(jī)輔助工程)軟件對電工電子產(chǎn)品進(jìn)行可靠性仿真分析已經(jīng)成為一種流行的趨勢。在產(chǎn)品開發(fā)階段，利用計(jì)算機(jī)仿真方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)耐撞性的分析，不僅可以有效地提高產(chǎn)品的可靠性，而且能降低開發(fā)成本，提高產(chǎn)品的市場競爭能力。

本文利用HyperMesh/Ls-Dyna有限元分析軟件對一款MP3整體模型實(shí)現(xiàn)了由PRO/E中導(dǎo)人，并按照真實(shí)MP3產(chǎn)品跌落的實(shí)際操作進(jìn)行跌落模擬仿真分析，迅速和準(zhǔn)確地得到了其應(yīng)力、應(yīng)變各種參數(shù)，進(jìn)而對其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用。

1 接觸和碰撞的有限元算法和自由跌落試驗(yàn)

1.1 接觸和碰撞的有限元算法

MP3跌落是MP3產(chǎn)品在極短的時(shí)間內(nèi)，在劇烈碰撞動(dòng)態(tài)載荷作用下發(fā)生的復(fù)雜非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。系統(tǒng)除了具有幾何非線性和材料非線性以外，還有接觸界面的非線性。因此，像這種瞬態(tài)沖擊動(dòng)力學(xué)問題，一般都采用顯式直接積分求解算法，而直接積分法中的中心差分法最常用。

1.1.1 中心差分法的原理[1]

中心差分法中，加速度和速度可以用位移表示，即

時(shí)間ι+△t的位移解答at+Δt，可由時(shí)間t的運(yùn)動(dòng)方程得到滿足，即由下式得到：

為此，中心差分法遞推公式可由式(1)～式(3)得到：

1.1.2中心差分法的算法步驟

(1)初始計(jì)算

a)形成剛度矩陣K、質(zhì)量矩陣M和阻尼矩陣C。

b)給定ao，△o和△o;

c)選擇時(shí)間步長△t;

d)計(jì)算a-Δt;

e)形成有效質(zhì)量矩陣M。

(2)對于每一時(shí)間步長進(jìn)行計(jì)算和求解

a)計(jì)算時(shí)間t的有效載荷：

b)求解時(shí)間t+△t的位移：

c)如果需要，根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算時(shí)間t的加速度和速度。

以上簡要介紹了中心差分法的原理和求解步驟。