CAE仿真在手机环境试验中的实现

 
摘要：电工电子产品的环境试验多在产品开发后期进行，属于实物试验。采用CAE技术对产品环境试验进行仿真，可在实物样机制出前进行，能够有效地发现设计缺陷。本文基于I-DEAS 软件系统，研究了对手机类产品环境试验的静态施压和自由跌落试验进行仿真的方法。手机属小型复杂结构，试验仿真的重要内容是装配体结构的有限元离散。文中采用了针对此类复杂结构的离散化方法---分区法，成功地进行了手机装配体的有限元网络划分。对手机静态施压和自由跌落试验后的响应进行了仿真，并对仿真结果进行了分析,结果与实物试验基本符合。
关键词：环境试验 CAE仿真 手机设计 I-DEAS 网格划分

1 引言

按照国家电工电子产品的环境试验有关标准规定，对手机类产品来说，其中两项重要的试验项目是施压和自由跌落。生产厂家一般情况下都要对产品实物进行试验,但实物试验的缺点是：验后结论，即只有在试验完成后才知道设计是否有缺陷，而此时修改设计花费的时间和费用较高，不利于产品快速推向市场；属外观观察试验，无缺陷的原因和机理分析报告，无法提供足够的改进信息；费用较高，试验具有破坏性质，费用高；经验不易积累，产品开发水平不易提高，有时由于人员的变动，甚至造成相关经验的流失。

为此采用以有限元技术为核心的CAE方法对实验进行仿真。其方法是：在产品设计开发过程中，利用CAE手段对手机的自由跌落过程进行模拟仿真，根据仿真结果来确定薄弱环节，从而指导设计修改，对修改后的设计模型再重复上述过程，直到满意为止。

2 模型结构分析及有限元离散

应用有限单元法对工程结构进行分析包括从结构的物理力学模型抽象为有限元计算的数学模型、计算程序的选择和修改、在计算机上的解算、以及计算前后大量信息的数据处理等这样一个全过程。其中，对结构的单元化离散是所有工作顺利进行的基础。大多数用于有限元分析的软件都提供了一定的离散化方法，对于大型或相对简单的结构基本不需要人工干预即可完成结构的离散。但对于复杂、细小的结构，在进行单元化离散时，大多数软件的自动划分功能都显得无能为力，手工划分更不可能。此时通常采用两种方法：1）简化结构。将尖角、细孔等细微结构在造型设计软件中消除或以其他结构代替。但也许简化部分的结构恰恰是分析所应关注的部分，大部分情况下这种简化是不允许的；2）采用充分小的单元。为了使离散结果更接近于真实化，可采用充分小的单元，这种离散的结果直接导致计算处理时间成几何级数上升，大多数情况下导致计算失败。

本文以一手机为例，讨论基于I-DEAS软件的CAE模块的工作方法。

2.1 结构分析

手机模型如图1所示，其结构的几何形状复杂，主要由以下几个部分组成：

1） 透明Lens：曲面壳体结构，起到保护LCD的作用，其上开有按键孔、细小的耳机孔和话筒孔，下部有十几个直径约1mm的定位销；
2） 前盖（Front）：曲面壳体结构，结构与Lens大致相同，与Lens结合采用定位孔；
3） 后盖（Back）：曲面壳体结构，其上有天线固定孔、电池埠等；
4） 电池盖（Battery-cover）：曲面壳体结构；
5） PCB板及LCD
6） 其他部分：天线、电池

以上各部分之间大都通过卡口联接，前、后盖部分除卡口外由四个螺钉固定在一起；天线与后盖通过螺栓连接。

图1 手机主要结构及跌落方向图
Fig1 Main Structure and Free-drop Directions of J22 Mobile Phone

2.2 有限元离散

1）结构简化

出于设计及工艺上的考虑，外壳每个部分的厚度几乎均不相同。对这些细微结构进行简化显然是行不通的，因为这些简化将使结构失去主要的结构特点，从而使下一步的计算分析失去存在的意义。从设计的观点来看，结构的简化将花费大量的时间进行造型的修改与重建，这与要求对结构尽快做出分析来提供参考的初衷相悖。

因此，对Lens、前后盖、电池盖以及天线部分不做任何简化，对电池、PCB板及LCD考虑到实际情况作如下简化：忽略电池内部结构，量取其外观尺寸重新简单造型；忽略PCB板上众多细小芯片，只保留较大芯片和LCD。

2）单元类型选择

Lens、前后盖、电池盖都属于板壳结构。一般来说，对板壳类结构，采用板壳单元不但能获得较好的单元质量，且能大大减少计算量。但用板壳单元进行离散并计算后，发现计算结果与实际存在着明显的差别。

在单元划分时，很多有限元分析软件都有强大的网格自动生成功能。在选用板壳类单元时，通过人机对话创建一个或多个指定厚度的“母元”。实际进行划分时，选定划分表面后，还需要指定单元长度和使用的“母元”。对于复杂的手机结构，由于表面数目很大（手机前盖有近2000个表面）且大部分非常细小，将它们分别进行选取是不可能的，只能在取出一部分较大表面后采用“全选”功能整体选取，那么在划分时它们采用的也都是同一个“母元”，但事实上他们的厚度都是不同的。即使对于一些较大表面，其厚度也是变化的。

通过以上分析可以得出结论，应采用实体单元。考虑到结构的复杂多变，决定采用二次四面体单元。

3）单元化离散的“分区法”

二次四面体单元对表面质量要求较高。如果在划分时指定过小的单元长度，它带来的是对设备的过高要求和计算时间的急剧增加。在所能承受的范围内总是离散失败，经过研究试验，使用“分区法”成功地解决了此问题。

划分步骤如下：首先，指定一个理想的单元长度（根据大致的厚度分布来确定）对结构整体进行离散，在遇到提示失败时将失败表面加入失败列表，而后以高亮（Highlight）命令观察其所处部位。I-DEAS提供了一个很有用的分区工具命令“Partition”[2]，它可以将一个实体分割而实际上又不切断其整体上的联系。利用此命令将失败表面与整体分离，分离区要在包括失败表面的情况下尽可能小。重复以上过程直到无失败表面部分离散化成功。

接着，选取一块以前离散失败的分离区，指定相对较小的单元长度进行离散，直到离散成功。同时，对这些分区也可使用上述方法进行更小的分区。考虑到不同分区的单元联结，在指定单元长度时应注意较小单元长度应尽量与较大单元长度保持倍数关系。图2为后盖一个分区的单元离散结果。

图2 后盖一个分区的单元离散结果

采用以上方法，一般情况下不必对分离区进行二次分离即可对结构单元化离散成功。只有对特别细小复杂的表面结构需进行二次分区。

4) 病态单元的排除

利用单元检查“Quality checks”命令，选取所有单元进行检查。检查规则以“distortion”为主，对于此类结构尺度应偏小，可选0.2~0.5之间。检查完毕后将输出组删除即可。
手机整体有限元模型的单元数：300,987；节点数：531,823。

3 模型解算及试验工况仿真

3.1 施压试验

施压试验中一个重要的内容是各相邻件之间的接触面的设定，接触面以受压时实际可能发生接触的表面成对组成。需要注意的是接触面的搜索距离，搜索距离不可设定过大，否则将会大大增加模型解算量。

考虑三种施压工况：在天线部位施压20Kg；电池盖部位垂直施压20Kg；侧面方向施压15Kg。解算结果如表1所示。

3.2 自由跌落试验

首先，对模型进行自由振动分析，分析所得前9阶固有频率如下：

Freq 1 = 412.5018 Hz
Freq 2 = 614.0729 Hz
Freq 3 = 638.9381 Hz
Freq 4 = 720.3717 Hz
Freq 5 = 740.3850 Hz
Freq 6 = 783.9229 Hz
Freq 7 = 1040.1628 Hz
Freq 8 = 1175.1654 Hz
Freq 9 = 1238.5191 Hz

国家标准规定跌落高度的优先选择值为25、100、500、1000mm等[1]，出于安全性的考虑，跌落工况高度为1500mm，超过国家标准。跌落碰撞时间选为0.01秒，跌落方向已在图1中标出。

经计算后的各主要部分最大应力及位移如表2所示。

3.3 仿真结果分析

3.3.1 施压试验仿真结果分析

最大位移和最大应力均位于电池盖与后盖结合部下方的齿牙处。位移较大的原因估计是因齿牙处的后盖部分是空的，无约束所至；最大应力均超过许用应力，考虑到其为塑料材料，去除PC/ABS不同牌号的个体差异，几种施力的结果可能引起永久性的塑性变形或断裂。建议在设计时将齿牙各个边缘改为过渡圆角并适当增加齿牙厚度。其他部位从计算结果来看还有较大的余量，但要结合自由跌落仿真的结果来确定哪些部位余量较大，哪些部位相对较为薄弱。图3为电池盖施加压力20Kg时的变形图。

图3 电池盖施加压力20Kg时的变形结果

3.3.2 自由跌落试验仿真结果分析

从计算结果来看，Lens与电池盖部分的应力之仍有较大富裕，仍有减薄余地，最大应力发生于Lens定位销或电池盖卡扣处，在设计时应作为考虑的重点。值得注意的是在天线着地的跌落过程中，天线顶部的相对位移达1.38mm，前后盖上发生的最大应力超出许用应力很多，最大应力发生于天线安装孔在后盖上的过渡处，这预示着跌落发生后此处将发生裂纹甚至断裂。考虑到PC/ABS塑料的特性，其发生裂纹的可能性较大。同时也应注意到，此时Lens部分所发生的最大变形为0.485mm，这预示着在跌落过程中可能发生Lens脱落或Lens定位销断裂。

由以上结果，在设计修改时，考虑修改天线根部过渡部位以及天线与主体的偏斜度；增加Lens定位柱直径或对Lens定位部分重新设计。

4 结论

利用CAE工具，对产品的施压试验和自由跌落试验工况进行仿真。通过对仿真结果的分析，能够为产品的设计开发及改型提供一定的依据。采用试验仿真可达到以下效果：事先预测，在制作样机前即可预知设计是否存在设计缺陷，因此可及时修改设计，缩短开发循环过程，加速产品开发过程；详细实验报告，提供量化分析报告，指明缺陷的部位及产生的原因，为设计人员提供修改设计依据，逐步完善设计，提高了设计质量；费用低，试验时间短，建模时间相对于制造样机大大缩短，费用低；知识积累，开发的经验形成知识，避免走弯路并加快开发速度，提高产品质量。

由于产品成本的80%以上是由设计决定的，因此采用手机施压与自由跌落仿真试验能有效地发现和改进设计缺陷，起到省时、节约成本和提高设计质量的作用，最终降低产品的成本并加快了上市速度。

需要指出的是，仿真的重点在于模型的有限元离散，多数有限元分析软件虽然都有网格自动生成功能，但在实际使用中尤其是遇到复杂结构时总会遇到这样和那样的困难，离散的方法也不是一层不变的。