Abaqus有限元软件对无线鼠标跌落的仿真测试

 摘要

 便携式手持电子装置由于其尺寸小且重量轻而变得常见。不可避免地，这样的装置偶尔会经历因掉落而产生的冲击负载。在分析和实验的设计过程中考虑这种冲击设想，以便于开发更耐用的产品。对掉落类型的负载的仿真能可靠地减少对实验测试的依赖。Abaqus/Explicit已广泛用于测试承受机械冲击负载行为的电子设备。

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 今天，有限元科技小编跟大家分享的是：Abaqus有限元软件对无线鼠标跌落的仿真测试

 背景

 个人电子设备能够承受机械冲击负荷特别是与从手上掉落或从桌子上掉落相关联的情况并不罕见。承受这种负载的能力对于产品的成功设计是至关重要的。

 对于原型电子装置对冲击负载的响应的评估通常涉及实验室测试和仿真分析的组合。模拟具有优于物理测试的明显优点，因为在设计过程的任何阶段它们提供可重复的结果，在分析期间的任何时间在模型中的任何点提供信息（包括应力，应变，加速度等），从而以更低的成本执行。

 本文使用Abaqus软件对无绳光学计算机鼠标的1米跌落测试进行仿真分析，检测电子元件的潜在故障。

无线鼠标

 Abaqus关键特点

 强大的显式解决方法，用于高效模拟短期，高度动态，非线性事件。

 通用（“自动”）接触算法，快捷接触定义。

 改进10节点四面体单元，有利于复杂几何的网格化，提供准确的接触结果。

 可变质量缩放以提高计算效率。

 网状独立紧固件，使用连接器元件作为点对点连接的基础，允许复杂的基本和机械行为，包括故障。

 有限元分析方法

 鼠标模型包括外壳组件，带有电子组件的电路板，一个轮子和两个按钮。壳体部件，按钮和轮与修改的10节点四面体单元一致。这些元件在大变形和接触分析期间提供鲁棒的解决方案，并且表现出最小的体积和剪切锁定趋势。它们也是有利的，因为它们可以与自动四面体网发生器一起使用，因此减轻了对电子部件中典型的复杂模制几何结构进行啮合的任务。

电路板和电子部件与六面体元件一致。电子部件被建模为刚性体，通过基于表面连接约束连接到电路板。连接型约束将表面刚性地粘结在一起，并且这些键在分析期间不会断裂。使用连杆式约束的优点是待连接的网格不需要匹配，允许电子部件具有相对粗糙的网格。

基座外壳

电路板、电子器件和滚轮

完整模型

 所有可变形部件使用线性弹性材料描述。这对于这种类型的分析是典型的，组件中的应变比预期的要小。实际的计算机鼠标用螺钉，咬合夹或其他连接方法固定在一起。虽然这种特征的完整地、详细地建模是可能的，但本分析集中于电子部件所承受的负载。因此，部件之间的所有机械接头用网格独立紧固件或基于表面的连接约束近似。连接约束用于将电路板连接到基座壳体同时将按钮连接到上壳体。

 网状独立紧固件允许两个或更多个主体在任意点连接，在连接的位置处不需要重合节点。此外，实际连接可以用连接器元件建模。这种能力允许复杂的行为，例如材料非线性，摩擦和被包括在点对点连接中的失败。

 鼠标的基座，中间和上壳体使用基于连接器的网状独立紧固件连接。笛卡尔和卡丹类型的连接器组合用于捕捉梁结构的行为。紧固件连接器的位置在图中示出。

独立于网格的紧固件的位置

 网格独立性通过将附接点分布到被连接的表面上的几个节点来实现。节点被自动选择并耦合到附接点，然后使用附接点来限定连接器元件。作为示例，图中表示出了在鼠标的前部处接合基部和中间壳体的紧固件（从内部观察）。连接器元件和连接到该元件的节点以红色突出显示。

前基底至中间壳体紧固件和耦合节点的剖视图

 虽然不包括在当前分析中，但是材料失效也可以用于模拟壳体的损坏。对于具有屏幕或镜头的电子设备，这种类型的建模将能够更准确地评估这些易损部件的寿命。

 基于自动接触算法，单个表面对不需要被明确地定义。相反，整个组件可以被包括在具有单个定义的接触对。地板被建模为刚性，并且重力加载被应用于所有的鼠标组件。在每个节点也规定与1米自由下落一致的初始速度条件。

 仿真一种5毫秒跌落的事件，为了减少该分析所需的运行时间，使用可变质量标度。使用这个选项，Abaqus在解决方案期间在离散时间点自动执行质量缩放，以便用户指定的最小时间增量。

 分析结果和描述

 在紧接冲击之后的情况下的米塞斯应力的等高线图如图所示。如所预期的，在冲击区域以及支撑电路板的接线片的底部示出应力集中。可以使用子建模技术进一步详细地研究这些区域中的应力，其中从全局模型获得的解被用于驱动局部区域的更小，更详细的模型。

冲击后的米塞斯应力

在5毫秒的小鼠模型，显示病例组分的分离

 如果相对运动分量，力或力矩变得太大，典型的紧固件可能具有断裂的部件。Abaqus/Explicitwww.featech.com.cn允许指定将破坏的相对运动的单个分量或所有分量规范，还可以选择基于故障标准的相对运动的分量。

 在前基底到中间壳体紧固件中的总力绘制在图中。局部的X轴和Z轴分量被展示，这些分别对应于轴向和侧向剪切力。由于对称性，局部Y分量为零。对于防止连接器故障的情况，显示出了每个部件的附加曲线。

前基底到中间壳体紧固件连接器中的总力

 模型的内部和动能能量曲线如图所示。在模拟开始时，鼠标处于自由落体状态；因此，动能包含整个能量含量。初始冲击使外壳变形，将动能转换成内部能量。展示出了两个附加曲线，其中不包括针对连接器的每一个能量分量曲线。

整个模型的内能和动能

 分析的目的是为了预测损坏电子元件的可能性。电路板组件的加速度曲线提供了关于负载的严重性的直接信息。响应在每个组件的质心处测量；在图中展示出了各个节点位置。在图中，绘出了部件3001的垂直加速度曲线。对于不包括连接器的情况，再次复制结果。

电子元件块中心的标签

电子部件3001的垂直加速度

 原始加速度结果中包含噪声，因此图中所示的曲线已经被过滤处理了。元素、节点、接触、集成和紧固件交互历史输出可以在解决方案过程中预先过滤，然后再写入输出数据库。在电流分析中，选择具有5kHz截止频率的巴特沃斯滤波器。在冲击期间过度的加速度可能损坏电子部件，即使它们可能保持与电路板的连接。为了评估寿命，可以根据实验确定的限制来检查电子部件的峰值加速度。

 用于确定可行性的其它方法包括检查详细的应力和应变曲线，特别是在电子部件周围的电路板中，这些量的极限值可用于估计焊点的故障。

 总结

 机械冲击载荷的仿真分析已在个人电子设计中不可或缺，Abaqus/Explicit的高级功能能够使这种测试方案很容易进行，并提前预测失效。

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