無(wú)線鼠標(biāo)下落測(cè)試的模擬

由于其尺寸小重量輕的特點(diǎn)，便攜式、手提式的電子產(chǎn)品越來(lái)越被普遍應(yīng)用。這些產(chǎn)品有時(shí)不可避免地經(jīng)受跌落帶來(lái)的撞擊載荷。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果從理論和試驗(yàn)上都可以對(duì)這個(gè)加載情況加以說(shuō)明解釋，就能發(fā)展更加耐用的產(chǎn)品。能夠模擬落地載荷情況下的可靠性，可以減小對(duì)試驗(yàn)測(cè)試的依賴性。Abaqus/Explicit 已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于檢驗(yàn)電子產(chǎn)品經(jīng)受機(jī)械撞擊載荷的特性。

Abaqus 的主要功能和優(yōu)點(diǎn)

對(duì)短歷時(shí)、動(dòng)態(tài)、非線性工況高效模擬的顯式求解方法。
通用（“自動(dòng)的”）接觸算法以簡(jiǎn)化接觸定義。
修正了的十節(jié)點(diǎn)四面體單元，使得復(fù)雜幾何體的網(wǎng)格劃分更加容易，還可提供精確的接觸結(jié)果。
可變的質(zhì)量縮放技術(shù)提高了計(jì)算效率。
獨(dú)立網(wǎng)格劃分的緊固件，使用連接件單元來(lái)進(jìn)行點(diǎn)與點(diǎn)的連接，考慮了復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能，包括損壞。
時(shí)效輸出的實(shí)時(shí)低通過(guò)濾可避免重疊誤差。

背景知識(shí)

個(gè)人電子產(chǎn)品受到機(jī)械撞擊載荷是很尋常的，特別是從手中或者桌上掉下來(lái)產(chǎn)生的撞擊。能否經(jīng)受這種載荷對(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)成功的產(chǎn)品很關(guān)鍵。
要評(píng)估一個(gè)電子產(chǎn)品受到撞擊載荷時(shí)的響應(yīng)，需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試和分析模擬。與物理實(shí)驗(yàn)相比，模擬有著明顯的優(yōu)勢(shì)：提供重復(fù)結(jié)果和模型上任意點(diǎn)的信息（應(yīng)力、應(yīng)變、加速度等等），成本低，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，任意階段都可以進(jìn)行模擬。
在本技術(shù)簡(jiǎn)報(bào)中涉及的分析是一個(gè)無(wú)線光電鼠標(biāo)從 1 米高的地方跌落的模擬。該分析主要研究電子構(gòu)件在跌落過(guò)程中可能出現(xiàn)的故障。

有限元分析方法

鼠標(biāo)模型由外殼、帶有電子元件的電路板、滾輪和兩個(gè)按鈕組成。將外殼、按鈕和滾輪劃分為 10 節(jié)點(diǎn)四面體單元。這種單元可以很好地解決大變形、接觸分析問(wèn)題以及出現(xiàn)最小體積和剪切鎖死等問(wèn)題。它們的優(yōu)勢(shì)還在于可以利用自動(dòng)四面體網(wǎng)格生成器來(lái)簡(jiǎn)化復(fù)雜電子部件幾何模型網(wǎng)格劃分的工作。
電路板和電子元件劃分為六面體單元。電子元件作為剛體，通過(guò)基于表面的連接約束與電路板連接。連接約束將表面牢牢連接起來(lái)，在分析中是不會(huì)分開(kāi)的。連接約束的優(yōu)點(diǎn)是被連接的網(wǎng)格不需要匹配，電子元件允許有相對(duì)比較粗糙的網(wǎng)格。圖 1 - 3 為組成鼠標(biāo)的部件。

 
                 
             圖 1：底座                               圖 2：電路板、電子元件和滾輪



3：完整的模型

所有的變形部分采用線彈性材料。對(duì)于這些預(yù)期應(yīng)變很小的部件，通常都是如此處理。

實(shí)際的電腦鼠標(biāo)是用螺釘、撳鈕接頭和線夾配合或者其他連接方式連接起來(lái)的。建立這些特性完整詳細(xì)的模型是有可能的，然而目前分析著重的是電子元件承受的載荷。因此，所有構(gòu)件之間的機(jī)械連接點(diǎn)都是利用獨(dú)立網(wǎng)格劃分的緊固件或者基于表面的連接約束來(lái)近似。連接電路板和底座、按鈕和上殼都使用了約束。

獨(dú)立網(wǎng)格劃分緊固件可以在任意點(diǎn)連接兩個(gè)或者兩個(gè)以上部件；在連接的位置上不要求節(jié)點(diǎn)一致。另外，實(shí)際連接可以用連接件單元來(lái)建模。這樣使比如材料非線性、摩擦和損壞等復(fù)雜特性可以包含點(diǎn)到點(diǎn)的連接。

鼠標(biāo)殼體的底座、中間部分和上部是利用基于連接件的獨(dú)立網(wǎng)格劃分的緊固件連接起來(lái)的。Cartesian 和 Cardan 類型的連接件相結(jié)合，來(lái)獲得類似梁的特性。圖 4 標(biāo)明緊固件連接的位置。

圖4：獨(dú)立網(wǎng)格劃分的位置

網(wǎng)格獨(dú)立是通過(guò)將附著件分布到被連接表面上的一些節(jié)點(diǎn)上。這些節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)地和附著點(diǎn)一起被選中。然后這些附著點(diǎn)被用來(lái)定義連接件單元。例如，如圖 5 顯示了鼠標(biāo)前部連接底座和外殼中間部分的緊固件（從里看）。與單元連接的連接件單元和節(jié)點(diǎn)用紅點(diǎn)標(biāo)示出來(lái)。

圖 5：底座和外殼中間部分緊固件的剖面圖和連接點(diǎn)

雖然本次分析沒(méi)有包括材料損傷模型，但是該模型可以用于建立外殼損傷的模型。對(duì)于有屏幕或者鏡頭的電子產(chǎn)品，這一類模型對(duì)于這些易損部件的抗損性可以更加準(zhǔn)確地評(píng)估。

使用了通用（或者“自動(dòng)的”）接觸運(yùn)算法則，兩個(gè)表面都不需要詳細(xì)定義，從而簡(jiǎn)化了接觸的定義。只用一個(gè)交互作用的定義，整個(gè)裝配就都在接觸域內(nèi)。底面被定義為剛體，所有的鼠標(biāo)部件都加上重力載荷。從 1 米高自由落體的初速度在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上也都被設(shè)定了。

分析模擬了一個(gè) 5 毫秒的跌落過(guò)程。為了減少這次分析的運(yùn)算時(shí)間，使用了質(zhì)量縮放技術(shù)。利用質(zhì)量縮放技術(shù)，求解過(guò)程中，Abaqus 在不連續(xù)的時(shí)間點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)行質(zhì)量縮放，來(lái)保證用戶指定的最小時(shí)間增量。

分析結(jié)果和討論

圖 6 為本例中撞擊后瞬間的等效應(yīng)力等值線云圖，在撞擊區(qū)域和支持電路板凸起的底部有應(yīng)力集中。在這些區(qū)域中的應(yīng)力可采用子模型技術(shù)進(jìn)行更詳細(xì)的分析，利用子模型技術(shù)，整個(gè)模型得到的結(jié)果可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)某個(gè)區(qū)域中更小的、更詳細(xì)的模型。

如果部件有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，力或者力矩變得太大，典型的緊固件可能被損壞成碎片。在 Abaqus/Explicit 中，可以對(duì)可能會(huì)出現(xiàn)損壞的部件進(jìn)行定義，或者對(duì)所有部件進(jìn)行定義。同時(shí)也可以部件相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生破壞的準(zhǔn)則進(jìn)行選擇。

圖 6：撞擊瞬間等效應(yīng)力

對(duì)于每個(gè)連接件單元，對(duì)軸向破壞力進(jìn)行定義。另外，當(dāng)連接件損壞后，所有有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部件都將松開(kāi)。圖 7 為分析結(jié)束時(shí)模型結(jié)構(gòu)，連接件在大約 0.08 毫秒時(shí)損壞，引起外殼完全分離。

圖 7：在運(yùn)動(dòng) 5 毫秒時(shí)鼠標(biāo)模型，顯示了外殼部件分離

圖 8 為前底座與外殼中間部分的連接件（參見(jiàn)圖 5）受到的力，繪出了局部 X 向和 Z 向分力，分別表示軸向和側(cè)面剪切力。因?yàn)閷?duì)稱，局部 Y 向分力為零。另外兩條曲線顯示了連接件損壞沒(méi)有發(fā)生的情況下受到的每個(gè)分力。

圖 8：前底座到外殼中間部分緊固件的所有受力

圖 9 為模型內(nèi)能和動(dòng)能的時(shí)程曲線。模擬開(kāi)始，鼠標(biāo)自由落體，此時(shí)只有動(dòng)能。撞擊開(kāi)始，使外殼變形，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成內(nèi)能。另外兩條曲線表示在連接件損壞沒(méi)有發(fā)生的情況下每種能量的時(shí)程曲線。

圖 9：整個(gè)模型內(nèi)能和動(dòng)能

這個(gè)分析的目的是為了評(píng)估電子元件損壞的可能性。電路板元件的加速度記錄提供了關(guān)于載荷的信息。每個(gè)部件質(zhì)心的響應(yīng)被測(cè)量，圖 10 標(biāo)明了各質(zhì)心點(diǎn)的位置。圖 11 為 3001 部件的垂直加速度時(shí)程曲線，而且包括了連接件損壞沒(méi)有發(fā)生情況下的結(jié)果。

最初的加速度結(jié)果包含噪音，圖 11 中的曲線是經(jīng)過(guò)過(guò)濾后得到的。在求解過(guò)程中，單元、節(jié)點(diǎn)、接觸、集成和緊固件交互作用的時(shí)程數(shù)據(jù)在寫(xiě)入輸出數(shù)據(jù)庫(kù)之前都經(jīng)過(guò)了過(guò)濾。在本次分析中，選用了截止頻率為 5kHz 的 Butterworth 過(guò)濾器。在撞擊過(guò)程中，過(guò)大的加速度可能損壞電子元件，盡管它們可能還附在電路板上。為了得到電子元件的耐用性，可以在已確定的實(shí)驗(yàn)限定中檢驗(yàn)它們承受的最大加速度。

圖 10：電子元件質(zhì)心的標(biāo)示

圖 11：電子元件 3001 的垂直加速度

其他確定耐用性的方法包括檢驗(yàn)詳細(xì)的應(yīng)力應(yīng)變時(shí)效圖，特別是電路板上電子元件附近的應(yīng)力應(yīng)變情況。這些值可以用來(lái)判斷焊接點(diǎn)是否損壞。

結(jié)論

跌落模擬已經(jīng)成為設(shè)計(jì)個(gè)人電子產(chǎn)品必不可少的工具。Abaqus/Explicit 的先進(jìn)性使得這種加載情況很容易運(yùn)用到設(shè)計(jì)過(guò)程中去。