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35-跌落仿真与样机试验对比分析[1]


第四届中国 CAE 工程分析技术年会论文集

微波炉跌落仿真与样机试验对比分析
孙瑜
1

张永忠

1

吴远兴

1

余本刚

2

林翰

2

(1 美

的微波电器制造有限公司研究所 2 中国科学院深圳先进技术研究院) 摘要:通过 Ls-dyna 显式动力学有限元仿真方法进行了 C17L 型微波炉的跌落仿真,分别选取了几种典型工况 进行物理样机试验和仿真分析的结果进行综合对比,仿真分析结果与试验结果基本吻合,使用 CAE 仿真工具 可以准确的模拟产品在跌落过程中产品的动态响应。 关键词:Cae Ls-dyna 跌落 包装

1 前言
目前家电类产品市场竞争的日益激烈,产品成本降低与开发周期的缩短是设计人员面临的 困难与挑战,而传统的从产品设计——样机制造——机械试验——产品再设计——产品批量 生产的开发流程,往往很难满足一个新产品的开发上市,而且有时单凭经验是无法有效解决 产品开发中所出现的问题[1]。 而随着计算机技术的飞速发展, 计算机辅助工程 (Computer Aided Engineering)技术可以辅助产品设计人员在计算机上构建数字化的虚拟产品模型,并且使用计 算机模拟产品在实际工作环境下的动态响应,在制造实物样机之前就可以评估该产品的性能, 并针对问题进行产品的再设计直至满足产品的性能要求,缩短产品开发周期,降低研发的成 本。 美的微波炉的产品可靠性跌落测试基本采用物理样机测试,如果跌落测试无法通过,往往 只是在既定设计方案上作一些局部修改,以尽量满足产品的抗跌落测试要求。这种基于经验 的物理测试方法不但成本高昂,而且效率低下,更不利于产品的创新。 Ls-dyna 是功能齐全的有限元数值计算软件,也是当前最准确的显式动力分析工具,其跌 落仿真分析模块中可用于分析元件与系统结构由于碰撞或跌落产生的力,变形,应力,位移, 振动响应及非线性屈服对电子产品的强度,刚度性质,抗冲击性能及整个系统工作稳定性和 完整性作出评估,本文即采用 Ls-dyna 对 C17L 型微波炉跌落过程进行跌落仿真模拟,并进行 相同工况下的物理样机试验,从分析结果和物理试验结果的综合对比上可看出,使用仿真分 析工具可以准确的模拟产品在跌落过程中产品的动态响应。

2 物理样机试验的建立
为了验证微波炉跌落仿真分析的可靠性,在仿真分析中采用与物理样机试验相同的工况, 在微波炉的可靠性跌落测试中是在跌落架上进行一角三棱六面共 10 种工况试验[2],由于进行 显式动力学仿真分析只能模拟单一工况下的动态响应过程,因此选择了几种典型的工况分别 进行物理样机试验。 为了使仿真分析与物理试验环境保持一致,每种工况采用新的包装泡沫及包装纸箱。此外, 由于目前缺少试验相关的检测设备,为增加试验与仿真的可比性,增加了一种无包装的裸机 试验,同时将跌落高度增加到 800mm。

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跌落工况 右侧面跌落 角跌落 顶面跌落

图 1 微波炉跌落物理试验 表一:微波炉跌落物理试验工况 跌落高度 地面接触瞬间速度 包装及纸箱状况 mm/s (mm) 610 3457.8 全新包装及纸箱 610 3457.8 全新包装及纸箱 800 3960 无包装及纸箱

备注 国标 国标 对比试验

3 仿真分析模型的建立
在分析模型离散化处理中,塑料件及钣金件采用 shell 单元进行网格划分,包装泡沫,变 压器,电子元器件则采用实体单元网格划分,图示为网格划分后微波炉跌落整体有限元模型, 节点数共为 188404,单元数目为 160459,其中六面体单元为 79539,Shell 单元为 80547,1 个弹簧单元。 在微波炉跌落中,由于涉及零件很多,除了包装泡沫与包装纸箱的接触,微波炉外罩与包 装泡沫的接触外,还可能存在其他未知的各种接触,采用 Ls-dyna 中应用最为广泛的自动单面 接触类型,在冲击跌落过程中,各个零件间及自身零件间的接触都能检测判断的到,可以准 确了模拟接触问题[3]。 仿真分析的准确性还在于材料模型的选择,对微波炉内的钣金类零件采用多线性弹塑性材 料模型,EPS 包装则采用冲击泡沫材料模型,并以其最大等效应变作为失效准则[4],其他非关 键零部件则采用弹性材料模型; 分析时间为微波炉与地面接触后的 15ms, 分析计算时间 2.5H。

图1

微波炉跌落仿真分析整体模型

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4 仿真分析与物理试验的对比
以下为几种典型工况的仿真分析的结果以及与物理样机试验的对比结果。由于缺乏必要 的检测检验设备,在进行物理样机跌落过程中只能通过外观上可以看见的变形或破坏来作为 检验或对比标准。

4.1 角跌落仿真分析与试验的对比
为了增加物理样机试验和仿真分析的可比性,在进行角跌落物理试验中,记录了跌落初始 状态下样机的空间固定位置,在仿真分析模型中严格依照该位置进行模型初始化,图示为角 跌落有限元模型。

图3 与样机试验一致的有限元模型空间位置 在进行微波炉跌落仿真分析中,能量变化趋势可以作为仿真分析结果准确性的一个判断准 则。因为在跌落过程中总是伴随着能量的转化,随时间的推移,整个系统的动能逐渐转化为 弹性变形能和塑性变形能(即内能) ,随后在微波炉弹起阶段(即纸箱与地面分离后) ,弹性 应变能逐渐释放,整个过程中,少部分能量由于接触摩擦而消耗。在角跌落中,系统能量变 化曲线如图 4 所示,从变化趋势上看,该次分析结果能量变化合理。

图 4 角跌落过程系统能量变化曲线 在角跌落物理样机试验中,可以观察到的明显破坏为包装泡沫的撕裂形态,这里对包装 泡沫的破裂形态进行了物理试验与仿真分析的对比,如图 5。 角跌落样机试验中,包装泡沫发生严重的撕裂,如图 5 中(a)所示;在跌落仿真分析中, 包装泡沫的撕裂如图 5 中(b)所示。

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(a) 物理试验中包装泡沫的撕裂 (b) 仿真分析中包装泡沫的撕裂 图5 角跌落包装泡沫的破坏形态对比 对比结论: 从仿真分析结果来看,下角包装泡沫的撕裂形态与撕裂位置与物理样机试验基本 吻合,由于仿真分析仅针对跌落瞬间 20ms 的过程,如果分析时间加长,裂纹会继续沿着初始 开裂方向扩展。

4.2 右侧面跌落仿真分析与试验的对比
依据物理试验中产品的摆放状态,调整有限元模型,如图 6 所示:

图 6 右侧面跌落有限元模型 图 7 显示的为右侧面跌落过程中系统加速度的随时间变化曲线, 峰值加速度大概为 115G, 该种工况的加速度峰值远大于侧楞及角跌落,则对产品的破坏也较大。在物理样机试验中也 证明在右侧面跌落中,产品出现的问题和缺陷也较多。

图7

侧面跌落过程中系统加速度的变化趋势

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在物理样机试验中,外罩侧面局部发生明显变形,变形原因主要是在跌落中磁控管与 外罩发生碰撞,如图 8 所示:

外罩与磁控管碰撞引起的突痕

图8

物理试验中外罩侧面局部发现明显变形

该处等效应变较大 图9 物理试验中外罩侧面突起变形 从图 9 中可看出,外罩侧面发生明显的突起变形,主要是由于在侧面跌落中磁控管与外罩 发生碰撞而引起的,在仿真分析中能准确的模拟捕捉到外罩的变形过程及变形原因。 同时在右侧面跌落中,外罩跌落面顶端出现明显的凹陷变形,如图 10 所示

明显的凹陷变 明显的凹陷变形

图 10 外罩跌落面上方边缘处发生凹陷的试验图与仿真结果 对比结论: 从仿真分析结果来看,在侧面跌落仿真分析中能准确的捕捉到磁控管与外罩侧面 的碰撞,仿真分析中微波炉外罩侧面上端楞在跌落中发生凹陷也与试验结果一致,通过以上 对比,可以看出该次仿真分析能准确的模拟跌落中微波炉的结构动态响应过程。

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4.3 无包装顶面跌落仿真分析与试验的对比
由于在以上几种试验中,金属件的变形不明显,为了便于仿真分析与物理试验的对比, 进行了无包装的裸机顶面跌落试验,并将跌落高度调整到 800mm。

图 11 无包装顶面跌落样机模型与有限元模型 图 12 显示的是在微波炉无包装顶面面跌落过程中地面撞击力的大小随时间的变化,由于 没有泡沫的缓冲作用,微波炉与地面直接接触,在接触的开始撞击力即达到最大,最大值约 为 1.8e4N,远高于带包装跌落中的撞击力。

图 12 无包装顶面跌落过程冲击力随时间的变化曲线 在无包装顶面跌落中主要出现以下产品破坏形态: 1) 底板连接变压器处局部发生金属的塌陷,如图 13 所示。

该处发生塌陷 图 13 物理试验中底板变压器联接处金属发生塌陷与仿真分析结果 底板前侧边缘局部发生金属的塌陷,如图 14 所示。

2)

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该处发生塌陷

图 14 物理试验中底板前侧金属发生塌陷与仿真分析结果 对比结论: 无包装顶面跌落为基本试验之外的辅助试验,主要检验仿真分析对金属变形的模 拟的准确度,从以上对比可以看出,微波炉跌落仿真分析对金属件的变形形态和变形的位置 都能做到十分准确的模拟,进一步证实了该仿真分析的准确性和有效性。

5 结论
本文使用显式动力学仿真分析工具对 C17L 型微波炉跌落过程进行了模拟, 在通过对角跌 落,右侧面跌落和无包装跌落等几种典型工况的物理样机试验和仿真分析对比,可以看出: 使用 CAE 仿真工具,可以较准确的模拟微波炉在跌落过程中的动态响应,并能发现在设计中 存在的潜在缺陷。 CAE 作为目前先进的产品设计辅助工具,其作用不是在于产品设计后期的问题解决方案, 而在于产品开发前期甚至在产品概念设计阶段即进行介入,减少物理样机的试验次数,缩短 产品开发周期;同时利用 CAE 的虚拟物理试验,可以对一些创新设计方法和理念进行可行性 评估,有利于产品的改进和创新[5]。 (注:本研究项目是在美的微波电器制造有限公司与深圳先进技术研究院共建联合技术工程 中心背景下合作开发的项目之一) 参考文献:
[1] 田峰 含蓄的 CAE 正在火起来 ANSYS-CHINA 媒体文章 [2] 美的微波炉制造有限公司企业标准 瓦楞纸箱检测跌落试验部分 Q/250039—2006A [3] Y.Masso-Moreu,N.J.Mills, Impact compression of polystyrene foam pyramids Impact Engineering (2003) 653-676 [4] Ls-dyna _971_manual [5] Y.Y.Wang, C.Lu, Simulation of drop/impact reliablity for electronic devices finite elements in Analysis and Design (2005) 667-680 International Journal of


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