無線鼠標下落測試的模擬

由于其尺寸小重量輕的特點，便攜式、手提式的電子產品越來越被普遍應用。這些產品有時不可避免地經受跌落帶來的撞擊載荷。在設計過程中，如果從理論和試驗上都可以對這個加載情況加以說明解釋，就能發展更加耐用的產品。能夠模擬落地載荷情況下的可靠性，可以減小對試驗測試的依賴性。Abaqus/Explicit 已經被廣泛應用于檢驗電子產品經受機械撞擊載荷的特性。

Abaqus 的主要功能和優點

對短歷時、動態、非線性工況高效模擬的顯式求解方法。
通用（“自動的”）接觸算法以簡化接觸定義。
修正了的十節點四面體單元，使得復雜幾何體的網格劃分更加容易，還可提供精確的接觸結果。
可變的質量縮放技術提高了計算效率。
獨立網格劃分的緊固件，使用連接件單元來進行點與點的連接，考慮了復雜的結構和機械性能，包括損壞。
時效輸出的實時低通過濾可避免重疊誤差。

背景知識

個人電子產品受到機械撞擊載荷是很尋常的，特別是從手中或者桌上掉下來產生的撞擊。能否經受這種載荷對于設計一個成功的產品很關鍵。
要評估一個電子產品受到撞擊載荷時的響應，需要結合實驗測試和分析模擬。與物理實驗相比，模擬有著明顯的優勢：提供重復結果和模型上任意點的信息（應力、應變、加速度等等），成本低，在設計過程中，任意階段都可以進行模擬。
在本技術簡報中涉及的分析是一個無線光電鼠標從 1 米高的地方跌落的模擬。該分析主要研究電子構件在跌落過程中可能出現的故障。

有限元分析方法

鼠標模型由外殼、帶有電子元件的電路板、滾輪和兩個按鈕組成。將外殼、按鈕和滾輪劃分為 10 節點四面體單元。這種單元可以很好地解決大變形、接觸分析問題以及出現最小體積和剪切鎖死等問題。它們的優勢還在于可以利用自動四面體網格生成器來簡化復雜電子部件幾何模型網格劃分的工作。
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，在分析中是不會分開的。連接約束的優點是被連接的網格不需要匹配，電子元件允許有相對比較粗糙的網格。圖 1 - 3 為組成鼠標的部件。

 
                 
             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。對于這些預期應變很小的部件，通常都是如此處理。

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

獨立網格劃分緊固件可以在任意點連接兩個或者兩個以上部件；在連接的位置上不要求節點一致。另外，實際連接可以用連接件單元來建模。這樣使比如材料非線性、摩擦和損壞等復雜特性可以包含點到點的連接。

鼠標殼體的底座、中間部分和上部是利用基于連接件的獨立網格劃分的緊固件連接起來的。Cartesian 和 Cardan 類型的連接件相結合，來獲得類似梁的特性。圖 4 標明緊固件連接的位置。

圖4：獨立網格劃分的位置

網格獨立是通過將附著件分布到被連接表面上的一些節點上。這些節點會自動地和附著點一起被選中。然后這些附著點被用來定義連接件單元。例如，如圖 5 顯示了鼠標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點用紅點標示出來。

圖 5：底座和外殼中間部分緊固件的剖面圖和連接點

雖然本次分析沒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。對于有屏幕或者鏡頭的電子產品，這一類模型對于這些易損部件的抗損性可以更加準確地評估。

使用了通用（或者“自動的”）接觸運算法則，兩個表面都不需要詳細定義，從而簡化了接觸的定義。只用一個交互作用的定義，整個裝配就都在接觸域內。底面被定義為剛體，所有的鼠標部件都加上重力載荷。從 1 米高自由落體的初速度在每個節點上也都被設定了。

分析模擬了一個 5 毫秒的跌落過程。為了減少這次分析的運算時間，使用了質量縮放技術。利用質量縮放技術，求解過程中，Abaqus 在不連續的時間點自動進行質量縮放，來保證用戶指定的最小時間增量。

分析結果和討論

圖 6 為本例中撞擊后瞬間的等效應力等值線云圖，在撞擊區域和支持電路板凸起的底部有應力集中。在這些區域中的應力可采用子模型技術進行更詳細的分析，利用子模型技術，整個模型得到的結果可以用來驅動某個區域中更小的、更詳細的模型。

如果部件有相對運動，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，可以對可能會出現損壞的部件進行定義，或者對所有部件進行定義。同時也可以部件相對運動產生破壞的準則進行選擇。

圖 6：撞擊瞬間等效應力

對于每個連接件單元，對軸向破壞力進行定義。另外，當連接件損壞后，所有有相對運動的部件都將松開。圖 7 為分析結束時模型結構，連接件在大約 0.08 毫秒時損壞，引起外殼完全分離。

圖 7：在運動 5 毫秒時鼠標模型，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，分別表示軸向和側面剪切力。因為對稱，局部 Y 向分力為零。另外兩條曲線顯示了連接件損壞沒有發生的情況下受到的每個分力。

圖 8：前底座到外殼中間部分緊固件的所有受力

圖 9 為模型內能和動能的時程曲線。模擬開始，鼠標自由落體，此時只有動能。撞擊開始，使外殼變形，將動能轉換成內能。另外兩條曲線表示在連接件損壞沒有發生的情況下每種能量的時程曲線。

圖 9：整個模型內能和動能

這個分析的目的是為了評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于載荷的信息。每個部件質心的響應被測量，圖 10 標明了各質心點的位置。圖 11 為 3001 部件的垂直加速度時程曲線，而且包括了連接件損壞沒有發生情況下的結果。

最初的加速度結果包含噪音，圖 11 中的曲線是經過過濾后得到的。在求解過程中，單元、節點、接觸、集成和緊固件交互作用的時程數據在寫入輸出數據庫之前都經過了過濾。在本次分析中，選用了截止頻率為 5kHz 的 Butterworth 過濾器。在撞擊過程中，過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，可以在已確定的實驗限定中檢驗它們承受的最大加速度。

圖 10：電子元件質心的標示

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詳細的應力應變時效圖，特別是電路板上電子元件附近的應力應變情況。這些值可以用來判斷焊接點是否損壞。

結論

跌落模擬已經成為設計個人電子產品必不可少的工具。Abaqus/Explicit 的先進性使得這種加載情況很容易運用到設計過程中去。