CAE仿真技術(shù)在電子產(chǎn)品結構設計的應用

0 引 言

接觸和碰撞是生產(chǎn)、生活中普遍存在的力學(xué)問(wèn)題。例如汽車(chē)、飛機、火車(chē)、船舶等運輸工具的碰撞，以及包裝體、通信設備、消費性電子產(chǎn)品、醫療箱等產(chǎn)品的跌落，可以說(shuō)接觸碰撞是無(wú)處不在、不可避免的。有關(guān)研究表明，在新產(chǎn)品研制過(guò)程中，約70%～80%的成本耗費于設計階段，因為在這個(gè)過(guò)程中，存在著(zhù)因產(chǎn)品設計存在缺陷而導致產(chǎn)品重復修改、甚至重新設計，不僅耗費時(shí)問(wèn)精力，而且造成產(chǎn)品成本上升、不能按時(shí)投放市場(chǎng)。近些年來(lái)，由于計算機軟硬件和有限元理論的迅速發(fā)展，運用CAE(計算機輔助工程)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(kāi)發(fā)階段，利用計算機仿真方法進(jìn)行結構耐撞性的分析，不僅可以有效地提高產(chǎn)品的可靠性，而且能降低開(kāi)發(fā)成本，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)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)現了由PRO/E中導人，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，迅速和準確地得到了其應力、應變各種參數，進(jìn)而對其結構設計起到指導作用。

1 接觸和碰撞的有限元算法和自由跌落試驗

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，在劇烈碰撞動(dòng)態(tài)載荷作用下發(fā)生的復雜非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)響應過(guò)程。系統除了具有幾何非線(xiàn)性和材料非線(xiàn)性以外，還有接觸界面的非線(xiàn)性。因此，像這種瞬態(tài)沖擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)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的運動(dòng)方程得到滿(mǎn)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(cháng)△t;

d)計算a-Δt;

e)形成有效質(zhì)量矩陣M。

(2)對于每一時(shí)間步長(cháng)進(jìn)行計算和求解

a)計算時(shí)間t的有效載荷：

b)求解時(shí)間t+△t的位移：

c)如果需要，根據式(1)和式(2)計算時(shí)間t的加速度和速度。

以上簡(jiǎn)要介紹了中心差分法的原理和求解步驟。