第１２卷第１期 ２０１ ７年３月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈａａｎｘｉ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ 陕西工业职业技术学院学报 Ｖ０Ｉ．１２Ｎｏ．１ Ｍａｒ．２０１７ 基于ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ的产品跌落仿真 董海东 （陕西工业职业技术学院材料工程学院，陕西成阳７１２０００） 摘要：对各种工业产品进行跌落测试数值仿真是ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ程序的一个重要的应用领域。本文以个人 数字助理（ＰＤＡ，Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）的有限元跌落仿真分析为例，讨论了ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ跌落测试模块 （ＤＴＭ）提供的数值仿真分析方法及实现过程。 关键词：ＡＮｓＹｓ／Ｌｓ—ＤＹＮＡ；有限元分析；跌落仿真 中图分类号：ＴＨ１３３．６ 文献标识码：Ａ 文章编号：９４５９—２０１７（１）一００１９—０４ ＮＳＹＳ／ＬＳ——ＤＹＮＡ—－ｂａｓｅｄ Ｄｒｏｐ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｄｏｎｇ Ｈａｉｄｏｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａａｎｘｉ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉａｎｙａｎｇ ７１２０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｒｏｐ ｔｅｓｔ ｆｏｒ ａｌｌ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹ－ ＮＡ ｐｒｏｇｒａｍ．Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｅｘａｍｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｄｒｏｐ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＰＤＡ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｎｕ— ｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ＡＮＳＹＳ／ＬＳ～ＤＹＮＡ ｄｒｏｐ ｔｅｓｔ ｍｏｄｕｌｅ（ＤＴＭ）． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＡＮＳＹＳ／ＬＳ～ＤＹＮＡ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｄｒｏｐ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｏ 引言 为降低开发成本，更好的检验电子产品抗跌 落冲击性能，本文以个人数字助理（ＰＤＡ，Ｐｅｒｓｏｎ— ａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）为例，目的是看ＰＤＡ从 ｌ 基于ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ的跌落仿真参 数设定 １．１模型的建立 便携式电子产品制作精巧，通常结构都比较复 杂。ＡＮＳＹＳ软件虽建模能力比较强大，但是对于建 立精确的电子产品模型来说相对比较困难。因此， 我们在建立模型时通常选择三维造型功能比较强 ２０００ｍｍ高度跌下时，电池是否被弹出，外壳是 否被摔坏。利用有限元软件ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ 对其跌落过程进行仿真，得到结构的瞬态动力响 应，清晰的展示在不同时刻的应力、变形情况。 大的软件，如ＰＲＯＥ、ＵＧ等。然后利用ＡＮＳＹＳ与这 些三维软件的无缝集成功能，将其导人到ＡＮＳＹＳ。 此方法可以取代传统的跌落冲击试验，同时工程 师也可以依据其设计出更好的抗跌落、冲击产 品，提前新产品的上市日期。 如果导人ＡＮＳＹＳ中的模型过于复杂，进行合适的 有限元网格划分相对比较困难，即使划分好了网 收稿日期：２０１７—１—１８ 作者简介：董海东（１９７９一），男，陕西乾县人，副教授，研究方向：模具设计与制造。 ２０ 陕西工业职业技术学院学报 ２０１７拄 格，也可能由于划分不当导致无法求解¨ Ｊ。因 此，在进行碰撞仿真之前，有必要对其几何模型进 行合适的简化，以便提高运算质量。由于ＣＡＥ和 ＣＡＤ存在本质区别，很多加工工艺上需要的过渡圆 角、小孔以及尖锐的曲面过渡都会增加有限元建模 的难度，影响单元质量，对于用于碰撞计算的显式 有限元模型，这个问题尤其突出。所以在进行划分 网格之前要对原几何模型进行修模，除去过渡圆 角、小孔以及使相连的曲面尽量化零为整等。 在对ＰＤＡ建模的过程中，综合考虑各种因素， 最终导入到ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ中的模型如图１ 所示。 ，辅 图１ ＰＤＡ实体模型 １．２单元类型、实常数的定义 定义单元类型：对于ＰＤＡ涉及到两种单元类 型，对于外壳、ＬＣＤ屏幕、电池盖均使用ＳＨＥＬＬ１６３ 壳单元，而对于电池则使用ＳＯＬＩＤ１６４实体单元。 定义实常数：对于ＰＤＡ，需要对外壳、ＬＣＤ屏幕 的壳单元定义实常数，它包括剪切因子、积分点数 和壳厚等。电池属于实体单元无实常数，其实常数 的具体参数见表１所示。 表１ ＰＤＡ定义的实常数 以同样的方法可以定义外壳的壳单元实常数。 １．３材料模型的定义 对于ＰＤＡ所使用的两种材料模型，其中外壳、 电池壳和ＬＣＤ屏幕均使用双线性随动硬化ｂｉｌｉｎｅａｒ ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ｈａｒｄｅｎｄｉｎｇ材料模型，但其参数不同。而 电池则使用线弹性模型，具体参数见表２所示。 按以上方法完成外壳（包括电池盖）材料模型 的定义，其具体参数见表２所示。 表２各实体的材料模型参数 ２生成有限元模型 ２．１网格的定义 指定网格属性：在划分网格前，必须指定各几 何模型的单元类型、实常数、材料等属性，其具体参 数如表３所示。 表３各实体属性 划分网格：在有限元分析中，模型中网格划分 越细致，单元阶次越高，计算结果越精确，但是要耗 费大量的ＣＰＵ时间 Ｊ。因此，选择什么样的单元以 及如何划分网格，是有限元建模中一个极其重要的 问题。因ＡＮＳＹＳ ＬＳ—ＤＹＮＡ程序中包含的显示动 力单元类型较少，且均是线性单元，具有一个线性 位移函数，却支持所有的非线性选项，能够很好的 用于大变形和材料失效的问题，所以在选择单元类 型时相对简单。每种单元具有较多的算法，重点是 选择哪种算法以使求解的结果更接近真实。 对于ＰＤＡ来说，主要可以分为电池的网格划分 和由外壳、屏幕及电池盖组成ＰＤＡ的网格划分。电 池可采用充分小实体ＳＯＬＩＤ１６４单元，设定总体单 元尺寸的大小来控制网格密度，以便生成较为均匀 的网格，但是这种离散的结果是直接导致计算处理 时问成几何级数上升，因此应找到平衡点，使得离 第１期 董海东：基于ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ的产品跌落仿真 ２．３定义接触 ２１ 散结果接近真实化，而又不浪费资源。在对ＰＤＡ的 处理过程中，采用ＳＨＥＬＬ１６３壳单元，设定厚度值。 划分网格后的模型如图２所示。 对于ＰＤＡ来说，共需要定义三组接触，即：外壳 （３）与电池（１）的接触；外壳（３）与电池盖（２）的接 触；电池盖（２）与电池（１）的接触。 在Ｃｏｎｔａｃｔ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｓ对话框中的 Ｃｏｎｔａｃｔ Ｔｙｐｅ列表框中选择Ｎｏｄｅｓ ｔｏ ｓｕｒｆａｃｅ、Ｇｅｎｅｒａｌ （ＮＴＳ）（步骤１、２），在Ｓｔａｔｉｃ Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ文本 框中输入静摩擦因数０．２（步骤３），在Ｖｉｓｃｏｕｓ Ｄａｍｐｉｎｇ Ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ输入粘性阻尼系数０．１（步骤 ５），然后单击Ａｐｐｌｙ按钮（步骤６），接着在弹出的 （ａ）ＰＤＡ Ｃｏｎｔａｃｔ Ｏｐｔｉｏｎｓ对话框中分别选择目标和接触Ｐａｒｔ 为３、Ｉ（步骤７、８），最后单击ＯＫ按钮（步骤９）即可 完成外壳（Ｐａｒｔ１）的接触，如图４所示。同样町以完 成外壳（Ｐａｒｔ３）与电池盖（Ｐａｒｔ２）的接触及电池盖 （Ｐａｒｔ２）与电池（Ｐａｒｔ１）的接触的定义。 （ｂ）电池 图２划分网格后的模型 ２．２生成ＰＡＲＴ 在生成ＰＡＲＴ之前，必须确认所有实体均被选 择，可通过Ｕｔｉｌｉｔｙ Ｍｅｎｕ＞Ｓｅｌｅｃｔ＞Ｅｖｅｒｙｔｈｉｎｇ来选择 所有实体。再选择Ｍａｉｎ Ｍｅｎｕ＞Ｐｒｅｃｅｓｓｏｒ＞ＬＳ—ＤＹ— 图４接触参数的定义 ＮＡ Ｏｐｔｉｏｎｓ，在弹出的对话框（如图３所示）中选择 Ｃｒｅａｔｅ Ａｌｌ Ｐａｒｔｓ项，并单击ＯＫ按钮即可以生成 Ｐａｒｔｓ。表４所示为模型中各实体与Ｐａｒｔ号、材料模 型号、实常数号、单元类型号之间的对应关系。 ２．４跌落分析基本参数设置 根据国家标准规定跌落高度的优先选择值 ２５ｍｍ、１００ｍｍ、５００ｍｍ、ｌ Ｏ００ｍｍ、２ Ｏ００ｍｍ等 。。此 次选取跌落高度为２ Ｏ００ｍｍ，没置跌落碰撞时间为 ０．１秒，且均为自由落体，与地面刚性墙撞击。跌落 方案为：ＰＤＡ为绕ｚ轴２０。，绕ｘ轴一１５。的方向跌 落，跌落模型ｌ盘１］图５所示。对ｌ 述参数进行了正确 的设定后，便『１Ｉ进行跌落测试分析的求解。 图３对话框 表４模型中各实体与型号之间的对应关系 图５ 跌落测试分析基本参数设置 ２２ 陕西工业职业技术学院学报 ２０１７年 ３仿真结果分析 １）在ＰＤＡ跌落于地面接触的瞬间，在接触位置 形成了一危险区域（见图６，图７），其中最大的应力 为２５３．７４７ＭＰａ，超出了应力极限２２８ＭＰａ，因此，此 次跌落带来的冲击能形成的最大应力导致ＰＤＡ外 壳的破裂、变形。在跌落分析的最后，ＰＤＡ外壳上 最大的应力为５９．１８２ＭＰａ，且在Ｔ＝０．０８８３１２ｓ后， 所受的冲击能黎本ｊ 没有向周围散开，应力场没有 产生移动。 ＰＤＡ外壳发生微小的翘曲变形，但并不导致材料失 效，属于冲击中正常的变形区域，证明了铝镁合金 在此次冲击中能有效并且及时地吸收冲击能，减少 冲击对外壳材料的影响。 ＇ ｌ图８铝镁合金圈图 ７ ５ ５图６接触瞬间应力场图 图９ ＰＤＡ应力场 ２）另外，选择菜单项Ｍａｉｎ Ｍｅｎｕ＞Ｄｒｏｐ Ｔｅｓｔ＞ Ｔｉｍｅ Ｈｉｓｔｏｒｙ＞Ｇｒａｐｈ Ｖａｒｉａｂｌｅｓ，在弹出的对话框中 选择显示物体重心以及测试埘象跌落前的最低点 （ＣＧ ａｎｄ Ｌｏｗｅｓｔ Ｐｔ），绘制其各个方向的位移、速度、 加速度以及各种变形结果曲线图，观察其每一个子 步各种参数的变化情况。如图ｌ０、】ｌ、ｌ２分别为该 图７接触瞬间应变场 点沿ｚ方向上的位移、速度、加速度曲线变化图。 为＿ｒ使得跌落中产生的冲击能够及时快速地 向周围其他位置扩散歼，并且获得较好的力学性 能，将ＰＤＡ周罔圆角处的材料更换为铝镁合金，如 图８所 。铝镁合金具有质超轻、密度低、抗压性 强等特性，其硬度是传统塑料的数倍，但重量仪为 者的三分之一，而且银白色的铝镁合金可以使产品 更美观，可以通过表面处理改变表面颜色，因此常 ＣＧ ＬＯＷＰＴ 用于中高档的电子产品的外壳上。 如图９所示，由于铝镁合金吸收了大部分的冲 击，并扩散开，因此ＰＤＡ外壳上所受的冲击与方案 相比有所降低，最大应力为６７．０８５ＭＰａ。在冲击中， 图１０物体重心以及测试对象跌落前 最低点的ｚ向速度曲线 （下转第４３页） 第１期 成宝娟：交互型微课程建设的思考 ４３ ２）课程引入要直接了当，迅速切换到想要表达 参考文献 ３ ３ ２ ２的主体内容；内容讲授线索要清晰，要有针对性，要 有重难点；总结收尾要快捷。 ３）教师在课程讲授过程中一定要注意语言简 练，表达清晰，要把想要表达的内容通过手势、语 刘小晶，张剑平．教学视频微型化改造与应用的新探 索［Ｊ］．中国电化教育，２０１３，０３：１０１—１０５． 宋艳玲，孟昭鹏，一雅娟．从认知负荷视角探究翻转课 堂——兼及翻转课堂的典型模式分析［Ｊ］．远程教育 杂志，２０１４，０１：１０５—１１２． 调、表情等多种方式表达出来，尤其要注意一些关 键词语的语调，要尽可能的做好提前试讲或者提前 练习工作。 成宝娟．关于《第一类换元积分法》一课的自主学习课 堂研究［Ｊ］．湖北广播电视大学学报，２０１４（５）：１２０ —５ 结束语 在交互型微课程建设的过程中，要将前沿的课 １２１． 成宝娟．数学游戏设计及其功能研究［Ｊ］．南昌教育学 院学报，２０１３（３）：１２８—１２９． 成宝娟，石国凤．在数学自主学习中培养学生的思维 能力［Ｊ］．文理导航，２０１４，４（１５５）：７—８． 成宝娟，石国凤．论学生自主学习数学的策略［Ｊ］．价 程理念与课程内容有机结合，不断丰富完善课程内 容，建立起课程内容对接课程标准、课程目标服务 人才培养的动态优化、持续升级的长效机制。 １Ｊ １Ｊ １Ｊ］｛值工程，２０１４，３３（３４５）：２３１—２３２． （上接第２２页） ４结论 １）ＰＤＡ的外壳在底部圆角处存在最大应力超 过材料的屈服应力，并且形成了一个危险区域，这 就造成了材料在这危险区域中存在破裂、失效、变 形等问题。 ２）在ＰＤＡ的外壳上增加铝镁合金圈，可以有效 的减少跌落中带来冲击，并及时地将冲击能向周围 图１ １ 物体重心以及测试对象跌落前 的材料传递开，使得外壳所受的跌落冲击得到了有 效的减缓。 参考文献 最低点的ｚ向位移曲线 （×１０ ５） 河涛，杨竞，金鑫．ＡＮＳＹＳ１０．０／ＬＳ—ＤＹＮＡ非线性有限 …止： 元分析实例指导教程［Ｍ］．北京：机械工业出版 社，２００７． 尚晓江，苏建宇，王化锋．ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ动力分 析方法与工程实例（第二版）［Ｍ］．北京：中国水利水 电出版社，２００８． 图１２物体重心以及测试对象跌落前 最低点的Ｚ向加速度曲线 陆维生，冯志华，邹甲军．基于ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ的ＰＣＢ 板跌落仿真［Ｊ］．苏州大学学报，２００６，２６（１）：４２—４６． 熊建友，辛勇，揭小平，杨国泰．ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ在跌 落仿真中的应用［Ｊ］．计算机辅助工程，２００３（２）：４６－４７． 赵海鸥．动力分析指南［Ｍ］．北京：兵器出版社，２００３． 通过观察上述曲线可知，它们符合最基本的自 由跌落过程各参数的变化规律，因此模型仿真结果 与实际相符。
