无线鼠标下落的模拟与测试

        Abaqus 的主要功能和优点

        对短历时、动态、非线性工况高效模拟的显式求解方法。
        通用（“自动的”）接触算法以简化接触定义。
        修正了的十节点四面体单元，使得复杂几何体的网格划分更加容易，还可提供精确的接触结果。
        可变的质量缩放技术提高了计算效率。
        独立网格划分的紧固件，使用连接件单元来进行点与点的连接，考虑了复杂的结构和机械性能，包括损坏。
        时效输出的实时低通过滤可避免重叠误差。

         背景知识

        个人电子产品受到机械撞击载荷是很寻常的，特别是从手中或者桌上掉下来产生的撞击。能否经受这种载荷对于设计一个成功的产品很关键。

         要评估一个电子产品受到撞击载荷时的响应，需要结合实验测试和分析模拟。与物理实验相比，模拟有着明显的优势：提供重复结果和模型上任意点的信息（应力、应变、加速度等等），成本低，在设计过程中，任意阶段都可以进行模拟。

         在本技术简报中涉及的分析是一个无线光电鼠标从 1 米高的地方跌落的模拟。该分析主要研究电子构件在跌落过程中可能出现的故障。

         有限元分析方法

         鼠标模型由外壳、带有电子元件的电路板、滚轮和两个按钮组成。将外壳、按钮和滚轮划分为 10 节点四面体单元。这种单元可以很好地解决大变形、接触分析问题以及出现最小体积和剪切锁死等问题。它们的优势还在于可以利用自动四面体网格生成器来简化复杂电子部件几何模型网格划分的工作。

        电路板和电子元件划分为六面体单元。电子元件作为刚体，通过基于表面的连接约束与电路板连接。连接约束将表面牢牢连接起来，在分析中是不会分开的。连接约束的优点是被连接的网格不需要匹配，电子元件允许有相对比较粗糙的网格。图 1 -图 3 为组成鼠标的部件。

图1：底座

图2：电路板、电子元件和滚轮

图3：完整的模型

         所有的变形部分采用线弹性材料。对于这些预期应变很小的部件，通常都是如此处理。

         实际的电脑鼠标是用螺钉、揿钮接头和线夹配合或者其他连接方式连接起来的。建立这些特性完整详细的模型是有可能的，然而目前分析着重的是电子元件承受的载荷。因此，所有构件之间的机械连接点都是利用独立网格划分的紧固件或者基于表面的连接约束来近似。连接电路板和底座、按钮和上壳都使用了约束。

         独立网格划分紧固件可以在任意点连接两个或者两个以上部件；在连接的位置上不要求节点一致。另外，实际连接可以用连接件单元来建模。这样使比如材料非线性、摩擦和损坏等复杂特性可以包含点到点的连接。

        鼠标壳体的底座、中间部分和上部是利用基于连接件的独立网格划分的紧固件连接起来的。Cartesian 和 Cardan 类型的连接件相结合，来获得类似梁的特性。图 4 标明紧固件连接的位置。

图4：独立网格划分的位置

       网格独立是通过将附着件分布到被连接表面上的一些节点上。这些节点会自动地和附着点一起被选中。然后这些附着点被用来定义连接件单元。例如，如图 5 显示了鼠标前部连接底座和外壳中间部分的紧固件（从里看）。与单元连接的连接件单元和节点用红点标示出来。

图 5：底座和外壳中间部分紧固件的剖面图和连接点

       虽然本次分析没有包括材料损伤模型，但是该模型可以用于建立外壳损伤的模型。对于有屏幕或者镜头的电子产品，这一类模型对于这些易损部件的抗损性可以更加准确地评估。

       使用了通用（或者“自动的”）接触运算法则，两个表面都不需要详细定义，从而简化了接触的定义。只用一个交互作用的定义，整个装配就都在接触域内。底面被定义为刚体，所有的鼠标部件都加上重力载荷。从 1 米高自由落体的初速度在每个节点上也都被设定了。

       分析模拟了一个 5 毫秒的跌落过程。为了减少这次分析的运算时间，使用了质量缩放技术。利用质量缩放技术，求解过程中，Abaqus 在不连续的时间点自动进行质量缩放，来保证用户指定的最小时间增量。

       分析结果和讨论

       图 6 为本例中撞击后瞬间的等效应力等值线云图，在撞击区域和支持电路板凸起的底部有应力集中。在这些区域中的应力可采用子模型技术进行更详细的分析，利用子模型技术，整个模型得到的结果可以用来驱动某个区域中更小的、更详细的模型。

       如果部件有相对运动，力或者力矩变得太大，典型的紧固件可能被损坏成碎片。在 Abaqus/Explicit 中，可以对可能会出现损坏的部件进行定义，或者对所有部件进行定义。同时也可以部件相对运动产生破坏的准则进行选择。

图 6：撞击瞬间等效应力

       对于每个连接件单元，对轴向破坏力进行定义。另外，当连接件损坏后，所有有相对运动的部件都将松开。图 7 为分析结束时模型结构，连接件在大约 0.08 毫秒时损坏，引起外壳完全分离。

图 7：在运动 5 毫秒时鼠标模型，显示了外壳部件分离

       图 8 为前底座与外壳中间部分的连接件（参见图 5）受到的力，绘出了局部 X 向和 Z 向分力，分别表示轴向和侧面剪切力。因为对称，局部 Y 向分力为零。另外两条曲线显示了连接件损坏没有发生的情况下受到的每个分力。

图 8：前底座到外壳中间部分紧固件的所有受力

       图 9 为模型内能和动能的时程曲线。模拟开始，鼠标自由落体，此时只有动能。撞击开始，使外壳变形，将动能转换成内能。另外两条曲线表示在连接件损坏没有发生的情况下每种能量的时程曲线。

图 9：整个模型内能和动能

       这个分析的目的是为了评估电子元件损坏的可能性。电路板元件的加速度记录提供了关于载荷的信息。每个部件质心的响应被测量，图 10 标明了各质心点的位置。图 11 为 3001 部件的垂直加速度时程曲线，而且包括了连接件损坏没有发生情况下的结果。

       最初的加速度结果包含噪音，图 11 中的曲线是经过过滤后得到的。在求解过程中，单元、节点、接触、集成和紧固件交互作用的时程数据在写入输出数据库之前都经过了过滤。在本次分析中，选用了截止频率为 5kHz 的 Butterworth 过滤器。在撞击过程中，过大的加速度可能损坏电子元件，尽管它们可能还附在电路板上。为了得到电子元件的耐用性，可以在已确定的实验限定中检验它们承受的最大加速度。

图 10：电子元件质心的标示

图 11：电子元件 3001 的垂直加速度

       其他确定耐用性的方法包括检验详细的应力应变时效图，特别是电路板上电子元件附近的应力应变情况。这些值可以用来判断焊接点是否损坏。

       结论

       跌落模拟已经成为设计个人电子产品必不可少的工具。Abaqus/Explicit 的先进性使得这种加载情况很容易运用到设计过程中去。