機(jī)械設(shè)計畢業(yè)論文跌落方式對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響分析

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　（20 屆）</b></p><p>　　跌落方式對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響分析</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 機(jī)械設(shè)計制造及自動

2、化 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘要</b></p&g

3、t;<p>　　為了能使自己的產(chǎn)品符合國家標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)廠家一般情況下都要對產(chǎn)品實物進(jìn)行自由跌落試驗。實物試驗的缺點是：驗后結(jié)論，即只有在試驗完成后才知道設(shè)計是否有缺陷，而此時修改設(shè)計花費的時間和費用較高，不利于產(chǎn)品快速推向市場。此外實驗作用時間很短，不易控制，而測得的物理量也很有限，無法獲得空間和時間上的連續(xù)結(jié)果，不能完整顯現(xiàn)跌落過程的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和結(jié)構(gòu)振動變形機(jī)理。在近年來，碰撞模擬技術(shù)發(fā)展非常迅速，有限元技術(shù)的應(yīng)用使類似碰撞

4、的結(jié)構(gòu)分析更準(zhǔn)確、更直觀。有限元模型可以建立局部結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析模型，它能真實地描述結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形。</p><p>　　本文介紹了有限元的相關(guān)知識、LS-DYNA軟件的相關(guān)知識、本課題的主要研究內(nèi)容以及課題意義等。</p><p>　　本文以塑料盒為研究對象，利用SOLIDWORKS軟件對塑料盒進(jìn)行實體建模。通過大型商用有限元軟件件LS-DYNA的接口將實體模型導(dǎo)入LS-DYNA中進(jìn)行參

5、數(shù)設(shè)置（單元類型、材料屬性、接觸類型等）、網(wǎng)格劃分等生成有限元模型。通過對塑料盒不同跌落方向的仿真模擬獲得塑料盒跌落時的響應(yīng)特性，我們可以利用這些數(shù)據(jù)找出塑料盒受到最大應(yīng)力的位置。</p><p>　　關(guān)鍵詞：跌落仿真模擬；塑料盒；有限元模型</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　In order to ma

6、ke their products adapt to national standards, the manufacturer of the product should be kind of free drop test under normal circumstances. The disadvantage of the physical test is aware of the conclusion after testing.

7、That only after the completion of the test to know whether the design defects, and then modify the design time and cost spent on high, is not conducive to product to market quickly. Moreover the experiment is uneasily co

8、ntrolled, and physical quantities which are me</p><p>　　The article introduces interrelated concept about finite knowledge , interrelated knowledge about LS-DYNA and research contents、meaning and so on about

9、 the research project.</p><p>　　In this article, plastic box is taken as the research object. The model of the shell of flip phone was set up using SOLIDWORKS software. Through the specialized connector betw

10、een SOLIDWORKS and big commercial finite element software LS-DYNA, the entity model was leaded to LS-DYNA and set parameter (element type, material property, contact type and so on), then meshed the entity model to produ

11、ct finite element model. The response character of the Plastic box is analyzed by using different drop or</p><p><b>　　朗讀</b></p><p>　　顯示對應(yīng)的拉丁字符的拼音</p><p><b>　　字典&l

12、t;/b></p><p>　　Keyword：drop simulation；plastic box；finite element model</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1<

13、;/p><p>　　1.2研究的意義2</p><p>　　1.3本文研究的主要內(nèi)容4</p><p>　　第2章 有限元法基礎(chǔ)5</p><p>　　2.1有限元法簡介5</p><p>　　2.2ANSYS簡介6</p><p>　　2.3LS-DYNA簡介10</p>

14、<p>　　第3章 建造模型及其前處理11</p><p>　　3.1建模方法的選擇11</p><p>　　3.2建模的基本原則11</p><p>　　3.3塑料盒模型的建立11</p><p>　　3.3.1塑料盒實體模型的建立11</p><p>　　3.3.2塑料盒有限元模型12&

15、lt;/p><p>　　3.4定義約束、施加載荷和其它設(shè)置15</p><p>　　3.5跌落分析基本參數(shù)設(shè)置15</p><p>　　第4章 后處理及仿真結(jié)果分析17</p><p><b>　　小結(jié)21</b></p><p><b>　　致謝22</b></

16、p><p><b>　　參考文獻(xiàn)23</b></p><p><b>　　附錄24</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　碰撞問題是在經(jīng)濟(jì)建設(shè)和生產(chǎn)實際生活中經(jīng)常大量遇到的問題。凡是有形的物質(zhì)產(chǎn)品，如當(dāng)今盛行的手機(jī)，便攜式電腦，電子字典

17、和一些其它的電子器件等等從投產(chǎn)開始，直到產(chǎn)品完全報廢，總是在不經(jīng)意時與它外界的物品發(fā)生碰撞，這是不可避免的。所以，許多產(chǎn)品在設(shè)計過程中都會考慮產(chǎn)品在未來發(fā)生碰撞后會發(fā)生什么樣的后果，還能不能繼續(xù)使用，如果不能使用時，那么它的損傷程度到底有多大？即有一個可靠性的問題。但是，以前的試驗幾乎都是對產(chǎn)品樣機(jī)進(jìn)行實物試驗，實驗作用時間很短，不易控制，而測得的物理量也很有限，無法獲得空間和時間上的連續(xù)結(jié)果，不能完整顯現(xiàn)跌落過程的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和結(jié)構(gòu)振動變

18、形機(jī)理。此外，實物試驗所帶來的結(jié)果是增加成本，延長產(chǎn)品生產(chǎn)周期，適應(yīng)不了當(dāng)今科技發(fā)展的步伐，更失去占領(lǐng)市場的先機(jī)。隨著計算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，有限元技術(shù)廣泛應(yīng)用到產(chǎn)品及外包裝抗跌落性能的研究中［1］。</p><p>　　1.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　近年為了提高產(chǎn)品在意外跌落時的可靠性，許多研究者對產(chǎn)品及包裝盒的抗沖擊性能進(jìn)行了研究。</p><p>　　

19、在西方發(fā)達(dá)國家，利用計算機(jī)仿真模擬很早以前就被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)。在早期的研究中，其研究人員已經(jīng)對電視機(jī)、烤箱、收音機(jī)等電子產(chǎn)品進(jìn)行了跌落模擬，并得到了一些數(shù)據(jù)和結(jié)論?，F(xiàn)階段他們利用有限元軟件進(jìn)行跌落模擬的目的主要是研究模擬過程中的一些技術(shù)問題和細(xì)節(jié)問題，這也是我們在模擬過程中經(jīng)常遇到的問題，這也代表著仿真模擬研究的一個發(fā)展方向。</p><p>　　K.H.Low用MSC.Parran軟件來模擬帶有緩沖包裝的電視

20、機(jī)的自由跌落過程，并提出GL分析方法，且基于HERTZ的理論對整個模型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計［2］；Liu et al用LS-DYNA軟件模擬包裝物品的跌落，并且得到了峰值加速度［3］。新加坡的Y.Y.Wang，C.Lu等人研究了跌落模擬的可靠性，通過對電視機(jī)、外套、組裝設(shè)備等進(jìn)行有效的建模和選擇正確的仿真方法的實例，說明了應(yīng)用有限元法的虛擬產(chǎn)品開發(fā)，并評價了模擬對研究跌落的重要意義[4]。Jason Wu，GuoShuSong等人利用有限元方

21、法研究了便攜式通信設(shè)備遭受撞擊的情況，并用HYPERMESH和LS–DYNA對摩托羅拉的產(chǎn)品進(jìn)行模擬仿真試驗，得到了其容易損傷的原因和易發(fā)生損壞的部位[5]。通過跌落試驗和模擬的對比分析，用測試的數(shù)據(jù)加以說明，證實了仿真和測試技術(shù)應(yīng)用的可靠性和對設(shè)計支持具有重大意義。</p><p>　　國外還有很多人研究包裝緩沖材料，例如紙漿、泡沫等的材料性能。Gary Burgess研究了美國一種泡沫包裝產(chǎn)品— Convol

22、uted foam的緩沖特性。在用緩沖曲線估算跌落到 Convoluted foam上的峰值加速度的技術(shù)要對應(yīng)一個泡沫信息。而屈曲應(yīng)力可以用來預(yù)測的G1[6]。John Hoffmann研究了紙漿模塑包裝的抗壓和緩沖性能，通過試驗展示了如何實現(xiàn)軸對稱幾何，例如:氣罐及錐形，比方形或矩形更能深切的了解靜態(tài)和動態(tài)強(qiáng)度。截錐形比矩形或方形的幾何形狀有高出近20%的更好的壓縮強(qiáng)度。由截錐獲得的G曲線比代表方形或矩形的G曲線更廣泛更開放—一更廣泛

23、的G曲線會有更大的設(shè)計空間和較好的設(shè)計成功率。同時，對某一給定的G值也可實現(xiàn)用較少的材料。并得出不同幾何形狀紙漿模塑包裝的動態(tài)特性:圓柱狀，圓錐狀和大圓度的產(chǎn)品比方形或矩形有小圓度的產(chǎn)品有更好的抗壓強(qiáng)度。這就可以讓使用紙漿模塑包裝的人根據(jù)產(chǎn)品的重量、跌落高度和堆碼高度等，設(shè)計出合適的模塑紙漿包裝[7]。</p><p>　　這種針對緩沖材料性能的基礎(chǔ)研究也給我們一個新的啟示:我們可以通過加強(qiáng)對緩沖材料的性能研究，

24、進(jìn)而實現(xiàn)消耗最少的包裝及緩沖材料實現(xiàn)其最大限度的保護(hù)產(chǎn)品的作用，充分的節(jié)約和利用資源，這樣既可以減少企業(yè)的生產(chǎn)成本，也可以減輕社會的環(huán)境負(fù)擔(dān)。</p><p>　　由于歷史和經(jīng)濟(jì)原因，我國仿真模擬的起步和研究都比較晚，但是發(fā)展勢頭比較迅速。國內(nèi)很多研究人員使用了ANSYS等有限元軟件，對一些比較有實際意義的產(chǎn)品進(jìn)行了模擬研究和理論研究，取得了很好的結(jié)果。</p><p>　　江南大學(xué)的華麗

25、和錢靜對洗衣機(jī)運輸包裝件的進(jìn)行了跌落仿真分析，他們利用ANSYS/LSDYNA軟件對洗衣機(jī)運輸包裝件進(jìn)行跌落仿真試驗，獲得平跌落情況下洗衣機(jī)運輸包裝件的應(yīng)力、應(yīng)變的變化規(guī)律，為洗衣機(jī)運輸包裝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度理論的探討和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了指導(dǎo)[8]。</p><p>　　浙江大學(xué)王春霖等人應(yīng)用ANSYS有限元軟件對玻璃啤酒瓶的跌落進(jìn)行了仿真研究。獲得了貯酒情況下和空瓶情況下的跌落以及斜跌落情況下的應(yīng)力分布情況。根據(jù)空瓶

26、和貯酒狀態(tài)下的跌落沖擊應(yīng)力，得到了啤酒瓶在典型跌落狀況下的應(yīng)力場及其應(yīng)力時間規(guī)律曲線。論文中首次定義了量化描述液體在沖擊運動中對容器應(yīng)力倍增作用的系數(shù)，揭示了液態(tài)商品對容器應(yīng)力影響的若干規(guī)律[9]。</p><p>　　此外，也有不少研究者運用了不同的有限元軟件對手機(jī)進(jìn)行了跌落模擬試驗，但其各自偏重的研究方向不同。華南理工大學(xué)湯立群、孫暉、何庭蕙等人對跌落條件下手機(jī)的沖擊動力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行了研究，通過對

27、手機(jī)跌落模擬試驗觀察手機(jī)上、下面板的脫開情況，并測得手機(jī)的跌落速度、回彈速度和沖擊時間，結(jié)合理論分析證明了數(shù)值分析的合理性和可靠性，并利用數(shù)值分析解釋了跌落過程中手機(jī)在特定位置脫開的原因，以上分析表明手機(jī)部分設(shè)計存在不合理性[10]。同濟(jì)大學(xué)和UT斯達(dá)康進(jìn)行了手機(jī)的實體分析，他們基于I–DEAS軟件系統(tǒng)，采用了針對此類復(fù)雜結(jié)構(gòu)的離散化方法—分區(qū)法，成功地行了手機(jī)裝配體有限元網(wǎng)絡(luò)劃分，給出手機(jī)的幾個關(guān)鍵部位的最大應(yīng)力及其相應(yīng)的沖擊方向[1

28、1]。摩托羅拉(中國)電子有限公司的姬立明利用ABAQUS甩Explicit模擬解決E680手機(jī)頂部卡鉤脫開問題。東南大學(xué)祖景平，薛澄岐運用MSC.PATRAN/DYTR-AN軟件就手機(jī)自由跌落試驗仿真分析過程中加強(qiáng)筋厚度對手機(jī)殼體強(qiáng)度和剛度的影響進(jìn)行了模擬仿真，并對計算數(shù)據(jù)對比和分析，得出加強(qiáng)筋厚度設(shè)計的通用參考數(shù)據(jù)［12］。此外，俞璐，薛澄岐，祖景平等人還利</p><p>　　上述運用各種有限元軟件對運輸包

29、裝件進(jìn)行跌落仿真分析，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行的評估都得到了很好的結(jié)果，也為本論文中我們進(jìn)行的塑料盒的模擬仿真提供了很大的指導(dǎo)。 </p><p><b>　　1.2研究的意義</b></p><p>　　頻繁的貿(mào)易讓商品流通成為經(jīng)濟(jì)活動中重要的組成部分，它以生產(chǎn)地為起點，以消費者或用戶為終點。廣義上講，商品流通包括了商品及其包裝的運輸、中轉(zhuǎn)、裝卸、倉貯、陳列、銷售等環(huán)節(jié)，其

30、中裝卸搬運環(huán)節(jié)、運輸環(huán)節(jié)、貯存環(huán)節(jié)是商品及包裝在流通過程中的三個基本環(huán)節(jié)。</p><p>　　在流通運輸過程中，商品必然要經(jīng)受一些外部因素的影響，甚至在消費者的使用過程中也可能會因某些原因而不慎發(fā)生跌落/碰撞沖擊，這種劇烈的沖擊會使電子產(chǎn)品的運動狀態(tài)在極短的時間內(nèi)發(fā)生急劇的變化，這可能會造成產(chǎn)品因受到的沖擊而發(fā)生損壞。對于易損、高精度的機(jī)電產(chǎn)品、電子、電工產(chǎn)品等，如果對其包裝不善，就會導(dǎo)致流通過程中因為這種沖擊

31、出現(xiàn)很高的破損率，這會給生產(chǎn)企業(yè)和個人消費者造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。</p><p>　　在各種沖擊環(huán)境中跌落沖擊最為強(qiáng)烈，由于跌落沖擊引發(fā)的損害是產(chǎn)品在運輸、使用過程中遭受的最主要的失效形式。為了方便裝卸、運輸和儲存，也為了產(chǎn)品受沖擊時避免其降低或者是喪失它的使用價值，這就需要我們對產(chǎn)品受到?jīng)_擊后的反應(yīng)進(jìn)行研究，并通過對其進(jìn)行合理的包裝，最大限度的保證產(chǎn)品的安全，保護(hù)產(chǎn)品、方便儲運、促進(jìn)銷售是包裝的三大功能，而其最

32、主要的就是保護(hù)產(chǎn)品不受損害。</p><p>　　在產(chǎn)品設(shè)計過程中，我們都會考慮產(chǎn)品在跌落沖擊下會產(chǎn)生什么樣的后果:產(chǎn)品還能不能繼續(xù)正常使用，如果不能繼續(xù)使用，那么跌落沖擊對產(chǎn)品的損傷程度到底是多大等等。經(jīng)過研究，我們可以將造成產(chǎn)品的破損現(xiàn)象歸納為以下三類：</p><p>　　1)結(jié)構(gòu)完整性破壞，包括產(chǎn)品零部件的強(qiáng)度降低、斷裂破壞、疲勞和摩擦損傷等；</p><p&g

33、t;　　2)結(jié)構(gòu)功能性破壞，包括結(jié)構(gòu)及其元件、部件的性能失效、失靈等；</p><p>　　3)產(chǎn)品工藝性破壞，包括聯(lián)接件松動、脫離，部件相互撞擊、短路或磁化等，還有壽命退化，即某些機(jī)電產(chǎn)品、電子電工產(chǎn)品在一定振動環(huán)境下引起工作壽命的縮短等。</p><p>　　由于產(chǎn)品的各部件承受載荷的能力一般都是有限的，因此能否經(jīng)受沖擊載荷對于設(shè)計一</p><p>　　個成功

34、的產(chǎn)品來說是十分關(guān)鍵的［14］。產(chǎn)品抗跌落沖擊的性能情況以往通常都是通過物理實驗來獲得的。盡管跌落試驗測試作為一種直觀可靠的研究方法得到了廣泛的使用，但是對手機(jī)一類的便攜式電子產(chǎn)品而言，這種研究方法有其不可逾越的局限性，這主要表現(xiàn)在:</p><p>　　l)無論對產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)行多么細(xì)致的改動，必須等到原型生產(chǎn)出來才能進(jìn)一步的實驗，這使得測試過程既耗時又費錢；</p><p>　　2)實驗的

35、到的沖擊響應(yīng)信息非常有限，只能獲得貼有傳感器的部分的信息，而在動態(tài)測試環(huán)境下只能使用應(yīng)變片、加速計等少數(shù)幾種傳感器，何況在一些敏感的地方如焊點，由于尺寸制約不能帖傳感器；</p><p>　　3)由于傳感器本身具有一定的質(zhì)量，會對測試結(jié)果有影響。</p><p>　　其中最主要的是跌落沖擊的作用時間非常短—般只有幾微秒，實驗操作也不易控制，而測量到的物理量也非常有限，也無法獲得空間、時間上

36、的連續(xù)結(jié)果，不能完整的體現(xiàn)跌落時結(jié)構(gòu)響應(yīng)過程和結(jié)構(gòu)振動變形機(jī)理，因此產(chǎn)品的此類物理實驗現(xiàn)在僅僅被用于評判產(chǎn)品能否通過行業(yè)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)［15］。</p><p>　　隨著計算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，涌現(xiàn)出很多仿真軟件用來模擬生產(chǎn)、生活中遇到的這些實際問題。跌落仿真模擬能夠讓我們很詳細(xì)的了解物理實驗中存在的那些不足之處。在產(chǎn)品設(shè)計階段進(jìn)行模擬分析，可以直觀動態(tài)的演示整個跌落過程以及各種物理量的變化(如應(yīng)力、應(yīng)變等

37、)，其分析的結(jié)果可以對設(shè)計方案的修改提供指導(dǎo)，以使產(chǎn)品在生產(chǎn)出來之前就能達(dá)到承受一定跌落沖擊的要求。此外模擬試驗也可以得到比物理實驗更加準(zhǔn)確、更加可靠的數(shù)值數(shù)據(jù)。</p><p>　　采用跌落仿真試驗我們可以做到以下幾點：</p><p>　　l)事先預(yù)測包裝件的設(shè)計是否存在設(shè)計缺陷，如果有缺陷可以在生產(chǎn)樣品之間及時進(jìn)行修改，這樣可以縮短開發(fā)的循環(huán)過程，加速產(chǎn)品開發(fā)過程；</p>

38、;<p>　　2)可以得到詳細(xì)的實驗報告，提供量化分析報告，指明缺陷的部位及產(chǎn)生的原因，為設(shè)計人員提供修改設(shè)計依據(jù)，逐步完善設(shè)計，提高了設(shè)計質(zhì)量；</p><p>　　3)仿真試驗費用低，時間短，建模時間相對于制造樣品大大縮短，而且開發(fā)的經(jīng)驗也可以成為新的技術(shù)，在以后的設(shè)計中可以避免走彎路并能加快開發(fā)速度，提高產(chǎn)品質(zhì)量；</p><p>　　4)跌落仿真試驗可以提供重復(fù)結(jié)果和

39、模型上任意點的信息(應(yīng)力、應(yīng)變、加速度等等)，而且在設(shè)計過程中，可以對任意階段都可以進(jìn)行模擬。</p><p>　　由于產(chǎn)品成本的80%以上是由設(shè)計決定的，因此采用跌落試驗仿真能有效地發(fā)現(xiàn)和改進(jìn)設(shè)計缺陷。通過模擬得到的數(shù)據(jù)，我們可以對模型進(jìn)行反復(fù)的修改，并結(jié)合不同工藝參數(shù)，找到適當(dāng)?shù)墓に嚵鞒?，設(shè)計出合理的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及其包裝，以適應(yīng)當(dāng)今科技發(fā)展的步伐，起到省時、省錢和提高設(shè)計質(zhì)量的作用，從而最終降低產(chǎn)品的研發(fā)成本，加

40、快產(chǎn)品的上市速度，迅速占領(lǐng)市場。</p><p>　　1.3本文研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本文采用有限元軟件對塑料盒/包裝盒進(jìn)行不同跌落方式的計算機(jī)仿真，可以得到我們關(guān)注的參數(shù)，如結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力變形，結(jié)合不同工藝參數(shù)，找到適當(dāng)?shù)墓に囘^程，這樣不但使產(chǎn)品抗跌落、耐沖擊的能力得到提高，而且還彌補了實物試驗的不足。</p><p>　　在仿真模擬試驗中，我著重了解

41、和研究了 LS-DYNA的前處理時單元類型的選擇、網(wǎng)格的劃分以及接觸的設(shè)置等對跌落模擬試驗的影響情況。并在試驗中，找出隨塑料盒受到跌落沖擊時的薄弱或易損位置。</p><p>　　第2章 有限元法基礎(chǔ)</p><p><b>　　2.1有限元法簡介</b></p><p>　　跌落沖擊問題因其很強(qiáng)的非線性而難于求解。為了解決跌落沖擊現(xiàn)象的求解

42、問題，我們引入了被認(rèn)為是解決該類問題的最有效方法一一有限元法。有限元法是在當(dāng)今工程分析中獲得最廣泛應(yīng)用的數(shù)值計算方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技術(shù)界的高度重視。其作為工程分析的有效方法，在理論與方法的研究、計算機(jī)程序的開發(fā)以及應(yīng)用領(lǐng)域的開拓等各方面均取得了根本性的發(fā)展。伴隨著計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的快速發(fā)展，有限元法現(xiàn)己成為計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)和計算機(jī)輔助制造(CAM)的重要組成部分。大型通用有限元軟件LSDYNA以其強(qiáng)大的分析

43、功能提高了使用者的工作效率，成為各領(lǐng)域進(jìn)行科學(xué)研究、工程設(shè)計的有力工具。本文就是采用了LSDYNA對塑料盒/包裝盒的跌落進(jìn)行了有限元模擬分析。</p><p>　　有限元法(Finite Element Method)，是用于求解復(fù)雜工程和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動力響應(yīng)、熱傳導(dǎo)、三維形體接觸、彈塑性等力學(xué)性能的分析計算，以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計等問題的一種近似數(shù)值分析方法。有限元法從60年代初開始在工

44、程上應(yīng)用到今天.己經(jīng)歷了四十多年的發(fā)展歷史，其理論和算法都經(jīng)歷了從蓬勃發(fā)展到日趨成熟的過程，現(xiàn)已成為工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析中（如航空、航天、機(jī)械、土木結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域）必不可少的數(shù)值計算工具，同時也是分析連續(xù)力學(xué)各類問題的一種重要手段。隨著計算機(jī)技術(shù)的普及和不斷提高，有限元分析系統(tǒng)的功能和計算精度都在很大提高，各種基于幾何造型系統(tǒng)的有限元分析系統(tǒng)應(yīng)運而生，計算機(jī)輔助有限元分析（CAEFA：Computer Aided Finite Element

45、 Analysis）己成為計算機(jī)輔助工程(CAE)的重要組成部分，是結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要工具，同時也是計算機(jī)輔助4C系統(tǒng)(CAD/CAE/CAPP/CAM)的重要環(huán)節(jié)。</p><p>　　有限元法是將系統(tǒng)分為許多小單元，例如桿單元、梁單元、板單元等等；然后以單元的連接點(結(jié)點)的位移為未知量，分別對每個單元假設(shè)其位移形態(tài)(形函數(shù))，計算出單元的動能和勢能便可獲得單元剛度矩陣和質(zhì)量矩陣；最后根據(jù)單元結(jié)點位移協(xié)

46、調(diào)和結(jié)點力平衡條件，組裝成系統(tǒng)的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣。這樣將原來連續(xù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為以有限個單元結(jié)點位移為廣義坐標(biāo)的離散化系統(tǒng)，即有限元模型。</p><p>　　有限元法的基本概念是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的(較簡單的)近似解，然后推導(dǎo)求解這個域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件)，從而得到問題的解。這個解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因為實際

47、問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。即它能夠?qū)ξ锢硐胂筮M(jìn)行模擬，對真實情況進(jìn)行數(shù)值模擬。</p><p>　　經(jīng)驗表明，有限元分析各階段所用的時間為：40%～50%用于模型的建立和數(shù)據(jù)的輸入，50%～55%用于分析結(jié)果的判度和評定，而分析計算只占5%左右。針對這種情況采用計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)來建立有限元分析的幾何

48、模型和物理模型，劃分成百上千個結(jié)點及單元并編號，完成分析數(shù)據(jù)的輸入，稱這一過程為有限元分析的前處理（Preprocessing）。同時，對有限元分析的結(jié)果也需要用CAD技術(shù)生成形象的圖形輸出，如生成位移圖、應(yīng)力、溫度、壓力分布的等值線圖，表示應(yīng)力、溫度、壓力分布的彩色明暗圖，以及隨機(jī)械載荷和溫度載荷變化生成位移、應(yīng)力、溫度、壓力等分布的動態(tài)顯示圖，我們稱這一過程為有限元的后處理（Post processing）。在計算機(jī)輔助有限元分析的

49、過程中，前、后處理是最主要的工作。有限元分析的流程如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 有限元分析流程圖</p><p>　　有限元法的基本思路是“化整為零，積零為整”。其求解步驟為:在根據(jù)實際問題近似確定求解域的物理性質(zhì)和幾何區(qū)域后，首先將連續(xù)的結(jié)構(gòu)離散成有限多個單元，并在每個單元中設(shè)定有限多個節(jié)點，將連續(xù)體看作是只在節(jié)點處相連接的一組單元的集合體；然后選定場函數(shù)的節(jié)點值作為

50、基本未知量，并在每一單元中假設(shè)一個近似的差值函數(shù)以表示單元中場函數(shù)的分布規(guī)律；進(jìn)而利用力學(xué)中的變分原理建立用于求解節(jié)點未知量的有限元法方程，從而將一個連續(xù)域中的無限自由度問題化為離散域中的有限自由度問題。求解結(jié)束后，利用解得的節(jié)點值和設(shè)定的差值函數(shù)確定單元上以至整個集合體上的場函數(shù)。有限元分析方法的基本策略就是在分析的精度和分析的時間上找到一個最佳平衡點。簡言之，用有限元方法解決問題的思路就是:離散研究對象；分析得出單元剛度矩陣；形成總

51、體剛度矩陣；移置結(jié)構(gòu)載荷；引入支撐條件;求解平衡方程；計算結(jié)果整理。在一定條件下，決定有限元方法求解精度的是單元形函數(shù)的選擇及單元劃分的數(shù)量。合理的選擇單元形函數(shù)及劃分的數(shù)量是控制精度的重要方面。我們在進(jìn)行模擬仿真時也要著重研究單元類型的選擇及其網(wǎng)格劃分。</p><p>　　2.2ANSYS簡介</p><p>　　ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟

52、件，由世界著名的有限元分析軟件公司——美國ANSYS開發(fā)，是實現(xiàn)多場及多場耦合分析，實現(xiàn)前后處理、求解及多場分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的一體化大型FEA軟件。ANSYS支持異種、異構(gòu)平臺的網(wǎng)絡(luò)浮動，在異種、異構(gòu)平臺上用戶界面統(tǒng)一、數(shù)據(jù)文件全部兼容，強(qiáng)大的并行計算功能支持分布式并行及共享內(nèi)存式并行，已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、宇航航空、汽車、船舶、土木、核工程及海洋工程等許多領(lǐng)域。</p><p>　　(1)前處理模塊PREP7<

53、/p><p>　　ANSYS不僅提供了強(qiáng)大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，可以方便地構(gòu)造數(shù)學(xué)模型，而且還能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer, NASTRAN, I－DEAS, AUTOCAD等，允許從這些程序中讀取有限元模型數(shù)據(jù)，甚至材料特性和邊界條件，完成ANSYS中的初步建模工作。此外，ANSYS還具有近200種單元類型，這些豐富的單元特性能使用戶方便而準(zhǔn)確地構(gòu)建出反映實際結(jié)構(gòu)的仿

54、真計算模型。下面說明使用ANSYS前處理的一般步驟：</p><p>　　1）設(shè)置工作目錄和工作文件，然后進(jìn)入ANSYS操作界面。如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 設(shè)置工作目錄和工作文件</p><p>　　2）選擇單元類型。有：殼單元、膜單元、梁單元、實體單元等。如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 設(shè)置單元類型&

55、lt;/p><p>　　3）定義材料屬性。如圖2.3所示。</p><p>　　圖2.3 設(shè)置材料屬性</p><p>　　3）構(gòu)建有限元實體模型。</p><p>　　4）劃分網(wǎng)格，生成單元。</p><p>　　5）對實體進(jìn)行加載約束。定義接觸面、接觸類型，設(shè)置終止時間及時間步長等。</p><p&

56、gt;　　6）輸出K文件，并修改。將未設(shè)置的參數(shù)添加到K文件中，并保證參數(shù)與名稱一一對應(yīng)，上下對齊。</p><p>　　(2)求解模塊SOLUTION </p><p>　　分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，并具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。ANSYS提

57、供兩個直接求解器：波前</p><p>　　求解器和稀疏矩陣求解器，同時還提供三個迭代求解器：PCG、JCG、ICCG，針對不同的問題，可選取合適的求解器和求解方法求解。</p><p>　　(3) 后處理模塊POST1和POST26</p><p>　　通用后處理器POST1對前面的分析結(jié)果能以圖形形式顯示和輸出，但只能觀看整個模型在某一時刻的結(jié)果。例如

58、，計算結(jié)果（如應(yīng)力）在模型上的變化情況可用等值線圖表示，不同的等值線顏色，代表了不同的值(如應(yīng)力值)。濃淡圖則用不同的顏色代表不同的數(shù)值區(qū)(如應(yīng)力范圍)，清晰反映計算結(jié)果的區(qū)域分布情況。時間歷程響應(yīng)后處理器POST26可觀看模型在不同時間段或子步歷程中的結(jié)果，如節(jié)點位移、應(yīng)力等，常用于處理瞬態(tài)或動力分析結(jié)果。另外，POST26還可以進(jìn)行曲線的代數(shù)運算，繪制一個或多個變量隨頻率或其它量變化的曲線，有助于形象化地表示分析結(jié)果。</p&

59、gt;<p>　　2.3LS-DYNA簡介</p><p>　　LS-DYNA作為世界上最著名的以顯示為主，隱式為輔的通用非線性動力分析有限元程序，能夠模擬真實世界的各種復(fù)雜問題，特別適合求解各種二維和三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞，爆炸和金屬成型等非線性結(jié)構(gòu)動力沖擊問題，同時可以求解傳熱，流體級流固耦合問題，是顯式有限元理論和程序的鼻祖。它廣泛應(yīng)用于汽車安全安全設(shè)計，武器設(shè)計，金屬成型，跌落仿真等領(lǐng)域。

60、</p><p>　　用SOLIDWORKS建模后的處理過程：</p><p>　　1）前處理-建立分析模型</p><p>　　指定分析作用的單元類型并定義實常數(shù)（如梁單元的截面積），指定材料模型；建立幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，形成有限元模型，定義與分析有關(guān)的接觸信息，邊界條件與載荷等。</p><p>　　2）分析選項設(shè)置及求解</p&

61、gt;<p>　　指定分析的結(jié)束時間以及各種求解控制參數(shù)，形成關(guān)鍵文件（LS-DYNA計算程序的數(shù)據(jù)輸入文件），遞交LS-DYNA求解器進(jìn)行計算。</p><p>　　3）結(jié)果后處理與分析</p><p>　　對計算的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理和相關(guān)分析，可調(diào)用LS-POST后處理程序進(jìn)行結(jié)果后處理。</p><p>　　第3章 建造模型及其前處理<

62、;/p><p>　　3.1建模方法的選擇</p><p>　　建模是仿真分析中重要的一步，用ANSYS的前置處理創(chuàng)建LS-DYNA的分析模型時可以采用直接法和間接法。直接法即逐個定義節(jié)點和單元的方式建立有限元模型，緊適用于單元數(shù)目較少的簡單結(jié)構(gòu)。間接法是是首先建立由各種圖形元素組成的實體模型，再對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分以形成有限元單元模型，間接法適用于各種大型結(jié)構(gòu)和幾何外形復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。</p&g

63、t;<p>　　由于直接法構(gòu)建復(fù)雜的有限元模型費時費力，本文采用間接建模法。</p><p>　　3.2建模的基本原則</p><p>　　建立分析模型是LS-DYNA顯示動力分析的重要環(huán)節(jié)，也是整個分析中花費時間最多的一項工作，為了能經(jīng)濟(jì)、高效、正確地建立分析模型，在模型創(chuàng)建中應(yīng)該遵循下面的幾條基本原則：</p><p>　　1）建立的分析模型必須能

64、夠客觀地反映真實結(jié)構(gòu)系統(tǒng)地主要特征，否則無法保證仿真的可信度。在開始建模前，應(yīng)對整個問題的分析過程進(jìn)行必要的規(guī)劃。</p><p>　　2）在模型中變形結(jié)果不重要的任何部分使用剛體，剛體可以節(jié)省大量的CPU時間，但是不要用很高的不切合實際的數(shù)值來定義剛體的彈性模量。</p><p>　　3)對材料和單元的性能要使用能符合實際的值，對殼單元不要使用不切合實際的厚度值。對材料、長度和時間等使用

65、自然協(xié)調(diào)的系統(tǒng)單位。</p><p>　　4）盡可能不使用三角形/四面體/棱柱形的退化實體單元，這些形狀在彎曲時經(jīng)常很僵硬，為了得到滿意的分析結(jié)果，應(yīng)盡量使用立方體的磚塊單元。</p><p>　　5）無論何時都要盡可能避免小單元，因為它們將極大地降低時間步長。如果需要小單元，可使用質(zhì)量縮放來增加極限時間步長。</p><p>　　6)如果整個沙漏超過了內(nèi)能的5%,

66、需要在分析中使用沙漏控制?？梢栽贕LSTAT 和MATSUM文件中監(jiān)測沙漏能：必要時可以使用全積分單元來阻止沙漏。但在分析大變形問題時，全積分單元可能導(dǎo)致結(jié)果的精度較差。</p><p>　　3.3塑料盒模型的建立</p><p>　　3.3.1塑料盒實體模型的建立</p><p>　　本課題是采用間接法建模，采用建模功能強(qiáng)大的SOLIDWORKS軟件進(jìn)行實體建模。

67、實體模型和有限元模型均采用mm–kg–ms單位制。塑料盒尺寸為100mm*100mm*100mm，塑料盒實體模型如下圖3.1。</p><p>　　圖3.1 塑料盒實體模型</p><p>　　3.3.2塑料盒有限元模型</p><p>　　在SOLIDWORKS中建立的塑料盒/包裝盒模型轉(zhuǎn)換為實體模型需要經(jīng)過以下幾步：</p><p>　

68、　（1）將實體模型導(dǎo)入ANSYS/LS-DYNA中</p><p>　　實體模型導(dǎo)入ANSYS/LS-DYNA有二種方法。第一種是用在CAD軟件中建模輸出為IGES格式，然后將其導(dǎo)入ANSYS/LS-DYNA中進(jìn)行模擬分析。其缺點是：從CAD系統(tǒng)中輸入的模型如果不適于網(wǎng)格劃分則需要大量的修補工作，而且當(dāng)模型比較復(fù)雜時，在導(dǎo)入ANSYS中時，還可能出現(xiàn)模型失真和數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。第二種是利用ANSYS與SOLIDWO

69、RKS軟件專門的接口將實體模型導(dǎo)入ANSYS中，由于ANSYS與SOLIDWORKS軟件可以實現(xiàn)無縫集成，一次性導(dǎo)入成功率高達(dá)99.9%。由于塑料盒結(jié)構(gòu)比較簡單所以選擇第一種方式。</p><p>　?。?）對導(dǎo)入的實體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分生成有限元模型</p><p><b>　　a.產(chǎn)生網(wǎng)格</b></p><p>　　其模型采用映射法劃分網(wǎng)格

70、，生成平面板網(wǎng)格，塑料盒每個面上10*10個網(wǎng)格，其整體模型共劃分為600個單元、602個節(jié)點，生成的塑料盒有限元網(wǎng)格圖如下圖3.2。</p><p>　　圖3.2 塑料盒有限元模型</p><p><b>　　b.單元類型定義</b></p><p>　　單元類型的選擇要考慮到模擬產(chǎn)品的材料性質(zhì)，以及要對產(chǎn)品進(jìn)行的分析類型，此外還要考慮單元類

71、型的性質(zhì)特點、算法以及該單元類型能夠適用于的分析類型等，因而選擇合適的單元類型對模擬的結(jié)果非常重要。</p><p>　　本次模擬試驗中我對塑料盒采用SHELL163殼單元。我塑料盒選擇SHELL163單元，除了是因為塑料盒比較厚以外，還考慮到該單元的自身特點及其算法等問題。SHELL163是一個4節(jié)點單元，如圖3.3所示，有彎曲和膜特征；可加平面和法向載荷；單元在每個節(jié)點上有6個自由度：在節(jié)點x，y和z方向的平

72、動，加速度，速度和繞x，y和z軸的轉(zhuǎn)動。此單元只用于顯示動力學(xué)分析。</p><p>　　圖3.3 SHELL163薄殼單元</p><p>　　另外，SHELL163單元共有11種不同算法，最重要也是最常用的主要有以下四種:</p><p>　?、?BelytschkoTSAY(BT，KEYOPT(l)=2，default)，其特點是:簡單殼單元、計算非?？?、

73、但翹曲時易出錯；</p><p>　?、?BelytschkowongChiang（BWC，KEYOPT(l)=10），其特點是:速度是BT單元的1.25倍;適用于翹曲分析；</p><p>　?、?Belytschkoleviathan（BL，KEYOPT(1)=8)，其特點是:CPU時耗為BT單元的1.4倍;第一個具有物理沙漏控制的單元；</p><p>

74、　　④.S/R corotational Hughes一Liu（S/R CHL，KEYOPT(l)=7），其特點是:沒有沙漏的殼單元；CPU為8.8*BT。</p><p>　　此外，SHELL163還提供了如下的實常數(shù)：剪切因數(shù)SHRF、通過單元厚度的積分點數(shù)值N正（最大值為100。如果NIP輸入值為O或空，ANSYS會默認(rèn)積分值為2）、四個節(jié)點中每個節(jié)點處的殼厚度Tl~T4。其中本次模擬試驗中各個薄殼單元體

75、的實常數(shù)如表3.1所示。</p><p>　　表3.1SHELL163的常數(shù)設(shè)置</p><p>　　經(jīng)過綜合考慮跌落試驗仿真的目的和效果，在本次跌落仿真試驗中我們最終選用的是BelytschkoTSAY算法。</p><p>　　c．模型材料屬性的定義</p><p>　　在本次跌落模擬試驗中，塑料箱使用雙線性隨動硬化Bilinear K

76、inematic Hardening材料模型，塑料盒材料為PC/ABS，為了簡化計算，將它看作一般的彈塑性材料，其參數(shù)為：屈服強(qiáng)度為228MPa，密度為1.05x103kg/m3，彈性模量為1.72x1010Pa，泊松比為0.35，正切模數(shù)500 MPa。</p><p>　　在跌落試驗的國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定物理跌落試驗的跌落平臺表面應(yīng)是混凝土或鋼制成的平滑、堅硬的剛性表面，而且至少為跌落產(chǎn)品重量的50倍以上，故我們將

77、跌落平臺的材料屬性設(shè)置為剛性體材料模型，以確保該跌落試驗?zāi)軌驖M足跌落試驗標(biāo)準(zhǔn)的要求。跌落平臺的密度為7.58x103kg/m3 彈性模量為2.07x1011Pa，泊松比為0.3。</p><p>　　3.4定義約束、施加載荷和其它設(shè)置</p><p><b>　　(1)生成PART</b></p><p>　　在確定所需部件被選中后，選擇LS

78、DYNA Options >Parts Options，在彈出的對話框中，選擇Creat All Parts項，單擊OK即可生成Parts。</p><p>　　(2)接觸問題及其算法</p><p>　　在創(chuàng)建完P(guān)art并確定其它設(shè)置的正確后，接下來就要對各個Part之間的接觸等邊界條件進(jìn)行設(shè)置。</p><p>　　接觸一碰撞問題是最困難的非線性問題之一。

79、這主要是因為在接觸一碰撞問題中的響應(yīng)是不平滑的。當(dāng)發(fā)生碰撞時，垂直于接觸界面的速度是瞬時不連續(xù)的。由于接觸問題是一種高度非線性行為，需要較大的計算資源，為了進(jìn)行實為有效的計算，理解問題的特性和建立合理的模型是很重要的。</p><p>　　設(shè)置接觸是我們本次模擬分析過程中的最大的難點，主要表現(xiàn)在兩個方面：</p><p>　?、僭谇蠼庠搯栴}之前，我們不知道接觸區(qū)域，表面之間是接觸或分開是未

80、知的、突然變化的，這些是隨著載荷、材料、邊界條件和其它因素而定的；</p><p>　?、诖蠖嗟慕佑|問題需要計算摩擦，有幾種摩擦和模型供我們挑選，它們都是非線性的，而且摩擦使問題的收斂性變得非常困難。</p><p>　　這兩個問題在模擬過程中如果解決不好，就會導(dǎo)致求解會出現(xiàn)錯誤，致使計算得不到滿意的模擬結(jié)果，甚至是會造成計算的結(jié)果不收斂。</p><p>　　在A

81、NSYS/LSDYNA中主要有3大類接觸類型:單面接觸，點面接觸(用于當(dāng)一個物體的外表面與自身接觸或和另一個物體的外表面接觸時使用，單面接觸是LSDYNA中最通用的接觸類型)和面面接觸(當(dāng)一個物體的面穿透另一個物體的面時，使用面面接觸算法)，每種接觸方式所適用的接觸單元都適用于解決某一類問題。要選擇合適的類型來描述實際物理系統(tǒng)往往比較困難，為了選擇合適的接觸類型，就需要我們對LSDYNA中的接觸集合和算法有深入的理解。接觸算法是程

82、序用來處理接觸面的方法。在LSDYNA中有三種不同的算法來處理動態(tài)的接觸一碰撞界面，即:動態(tài)約束法、對稱罰函數(shù)法和分布參數(shù)法。其中動態(tài)約束法僅用于固連與固連一斷開類型的接觸界面（統(tǒng)稱固連界面），主要用來將結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的不協(xié)調(diào)兩部分聯(lián)結(jié)起來。分布參數(shù)法主要用來處理接觸界面具有相對滑移而不可分開的問題。</p><p>　　此外，在設(shè)置接觸時還要注意的是:要使用統(tǒng)一的協(xié)調(diào)單位和材料參數(shù)；在定義接觸的面之間不能有初始的接

83、觸；對殼單元的表面，盡量使用自動單面接觸(ASSC)，此接觸是最容易定義的接觸類型，而且并不花費過多的求解時間。</p><p>　　3.5跌落分析基本參數(shù)設(shè)置</p><p>　　在跌落測試分析前，還需要對跌落測試的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。這包括重力、加速度、跌落高度及參考點、計算時間以及輸出文件步數(shù)等等。此外，我們還可以通過修改目標(biāo)面的屬性，使塑料盒模型與不同的目標(biāo)面發(fā)生跌落碰撞，得到更全面

84、的仿真結(jié)果。此外，這里也要注意與前面設(shè)置的單位之間的協(xié)調(diào)。我們通過Drop Test選項下的Set UP進(jìn)行上述試驗參數(shù)的設(shè)置。按照材料屬性單位一致性的要求，我們將重力加速度設(shè)置為9.8M/S2。國家跌落標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:跌落高度的優(yōu)先選擇值為25、100、500、1000mm等，對于塑料的跌落高度可以設(shè)置為1000mm。出于安全性的考慮，我們可以將跌落高度設(shè)定為1200mm(即1.2m)。跌落臺的屬性設(shè)置為剛性體材料。</p>

85、<p>　?。?）由于我們主要研究的是跌落碰撞瞬間塑料盒所受應(yīng)力及其應(yīng)變等的情況，也為了節(jié)省CPU的計算時間，故我們將解的時間設(shè)置為開始分析時間為在距接觸沖擊地面10mm的時間。此外對結(jié)果輸出的文件步數(shù)，我們也可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行修改，本次模擬時我們將其設(shè)置為20步，這樣也可以減少結(jié)果的輸出而節(jié)約資源。</p><p>　?。?）計算過程中的文件的輸出控制。LS–DYNA——輸出適應(yīng)于LS–DYNA后

86、處理器 LS–POST的2進(jìn)制結(jié)果文件D3PLOT。</p><p>　?。?）寫入K文件，調(diào)用LS–DYNA求解。</p><p>　　第4章 后處理及仿真結(jié)果分析</p><p>　　我們便可以通過LSTC公司專門開發(fā)的ANSYS/LS一DYNA的后處理程序查看跌落仿真試驗的結(jié)果，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。其中通過通用后處理器POST，我們可以對前面的分析結(jié)果以圖

87、形形式顯示和輸出。通過時間歷程后處理器POST，我們可以檢查在一個時間段或子步歷程中的結(jié)果，如節(jié)點位移、應(yīng)力或支反力等，還可以將這些結(jié)果以曲線或列表形式展現(xiàn)出來。</p><p>　　此外，我們還可以將整個跌落過程以動畫的形式展示，特別是對跌落沖擊時產(chǎn)品接觸跌落臺瞬間的情況。通過對模擬得到的加速度、變形、應(yīng)力云圖等進(jìn)行研究，可以為我們的產(chǎn)品設(shè)計及包裝保護(hù)工作提供一定的數(shù)值依據(jù)。</p><p&

88、gt;　　做了幾組不同跌落姿態(tài)的模擬試驗，即對手機(jī)進(jìn)行了面、楞、角的跌落模擬，在此處將跌落的高度都設(shè)定為1.2m，其應(yīng)力云圖如下圖所示：</p><p>　　圖4.1 塑料箱1.2m邊跌落應(yīng)力圖</p><p>　　圖4.2塑料箱1.2m面跌落應(yīng)力圖</p><p>　　圖4.3塑料箱1.2m角跌落應(yīng)力圖</p><p>　　通過對這幾組模擬

89、試驗的結(jié)果進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)：</p><p>　　1) 塑料盒跌落碰撞瞬間的姿態(tài)不同，其受到的沖擊力大小也不同，即跌落姿態(tài)對沖擊力、加速度等都會有影響。</p><p>　　2) 塑料盒與跌落臺接觸的部位一般都是受應(yīng)力最大的部位，其應(yīng)變也相對較大。</p><p>　　3）如圖4.1所示塑料盒在邊跌落時,受到最小應(yīng)力為 435.5pa,最大應(yīng)力為12654pa；如

90、圖4.2所示塑料盒在面跌落時，受到最小應(yīng)力為 1086pa,最大應(yīng)力為16617pa；如圖4.3所示塑料盒在角跌落時，受到最小應(yīng)力為 390.7pa,最大應(yīng)力為12397pa。 </p><p>　　4）塑料盒在平面跌落時的接觸面的面積最大，在邊跌落時的接觸面的面積次之，而在角跌落時的接觸面的面積最小。根據(jù)最基本的力學(xué)基礎(chǔ)知識，我們可以得出：塑料箱從相同的跌落高度，在角跌落時所受的平均應(yīng)力值最大，在邊跌落時

91、所受的平均應(yīng)力值次之，而在平面跌落時所受的平均應(yīng)力值最小，這也正如圖4.2、圖4.1、圖4.3所示。這也就是說，當(dāng)塑料盒從1.2m發(fā)生角跌落時，跌落平臺對塑料盒的沖擊更大一些，即塑料盒產(chǎn)生破壞的可能性更大一些，而當(dāng)塑料盒從某一高度發(fā)生平面跌落時，跌落臺對塑料箱的沖擊相對小一點，即對塑料盒更不容易產(chǎn)生破壞；而當(dāng)塑料盒從某一高度發(fā)生邊跌落時，跌落臺對塑料盒的沖擊界于發(fā)生平面跌落與發(fā)生角跌落之間。</p><p>　　

92、5）塑料箱無論是發(fā)生邊跌落還是發(fā)生角跌落，都可以看作是兩個或三個平面跌落的合成，其基本原理都是一樣的，區(qū)別只是在于發(fā)生邊跌落、角跌落時應(yīng)力的復(fù)雜性，或者說是合成性。平面跌落是最基本的跌落形式，也是最簡單的跌落形式。一般情況下，包裝件發(fā)生跌落時，純平面跌落現(xiàn)象是不多見的，決大部分情況都是發(fā)生邊跌落或角跌落。我們在分析邊跌落或角跌落時，也常常把其分解為幾個相關(guān)平面跌落來分析。</p><p>　　6）在包裝產(chǎn)品的運輸

93、過程或使用過程中，包裝產(chǎn)品不可避免地會發(fā)生邊跌落或角跌落現(xiàn)象，因此，在包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中，應(yīng)該特別注意到邊、角這些在跌落時比較容易受損的地方，以改善包裝對產(chǎn)品的保護(hù)作用。</p><p>　　7）通過塑料盒的跌落仿真試驗，我們看到LS-DYNA對跌落仿真的基本步驟，得到了一種通用的跌落仿真的方法。其實，LS-DYNA對跌落的仿真就是兩個子系統(tǒng)的在一定條件下碰撞的結(jié)果。只是對跌落來說，我們關(guān)注的只有一個物體，那就是

94、包裝產(chǎn)品。</p><p>　　8）我們也可以對結(jié)構(gòu)組合件進(jìn)行跌落仿真，復(fù)雜部分只是在于模型的建立，分析步驟幾乎都是一樣的。如：可以對手機(jī)跌落仿真，也可以對汽車或摩托車等大型產(chǎn)品進(jìn)行跌落仿真分析。我們還可以對模型施加多種的初始條件，幾乎可以施加任意形式的力，這對復(fù)雜條件的跌落提供了有利條件。</p><p><b>　　小結(jié)</b></p><p&

95、gt;　　跌落實驗（Drop Test）廣泛地被制造業(yè)用來驗證產(chǎn)品的安全性，如作為包裝材料與結(jié)構(gòu)方式的設(shè)計與驗證。近年來因各類型的消費性電子產(chǎn)品的小型化與輕量化，產(chǎn)品是否能抵抗不慎跌落地面的沖擊力所造成的破壞，亦成為產(chǎn)品的設(shè)計重點之一。然而跌落測試所需要的原型制造與實地試驗工作著實占掉了巨額的開發(fā)成本。</p><p>　　在包裝產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，采用跌落仿真技術(shù)對其在運輸過程中或使用過程中可能碰到的跌落情況進(jìn)

96、行仿真，用量化的指標(biāo)展示了產(chǎn)品受沖擊的情況。這種通過仿真在準(zhǔn)確選擇了材料類型和合適的網(wǎng)格大小后所得到的結(jié)果是可信的。</p><p>　　應(yīng)用大型有限元軟件LS–DYNA模擬跌落過程，可減少或避免不必要的破壞性試驗，縮小試驗周期和費用，為工程師設(shè)計出更好的抗跌落、沖擊的產(chǎn)品提供了非常有用的信息。</p><p>　　本文利用CAD軟件制作了該塑料盒的模型，最后在分析和總結(jié)前人跌落模擬仿真的

97、研究成果的基礎(chǔ)上,運用有限元軟件LS–DYNA對手機(jī)模型進(jìn)行了跌落試驗?zāi)M。其中我們著重了解并研究了模擬時在前處理中遇到的各種問題及其解決方法，及跌落參數(shù)設(shè)置對跌落模擬的影響等。本文的主要工作及結(jié)論如下:</p><p>　　1)本文將有限元法引入到塑料盒跌落分析中，模擬仿真得到的結(jié)果，這表明用有限元法對塑料盒進(jìn)行跌落分析是可行的。這也為以后產(chǎn)品的設(shè)計和包裝研究提供一種新的思路。</p><p

98、>　　2)研究了影響跌落試驗?zāi)M的參數(shù)問題，特別注重了在LS–DYNA跌落模擬的前處理中遇到的技術(shù)問題，并尋找出解決方案，以便能夠得到更真實和更準(zhǔn)確的跌落模擬試驗結(jié)果。</p><p>　　當(dāng)然本文中也存在一些不足之處:</p><p>　　a)在模擬時我們?nèi)狈Σ牧系膭討B(tài)性質(zhì)，缺乏破壞準(zhǔn)則、接觸條件以及其他技術(shù)等原因，導(dǎo)致仿真模擬結(jié)果在數(shù)值上還不夠精確，但是不影響模擬的結(jié)果。<

99、/p><p>　　b)模擬過程中前處理中網(wǎng)格的劃分、算法的選擇等問題，仍然需要我們進(jìn)一步的深入研究。</p><p><b>　　【參考文獻(xiàn)】</b></p><p>　　[1]彭國勛.運輸包裝［M］.北京： 印刷工業(yè)出版.1999.</p><p>　　[2]K.H.Low. Drop cushioning effects

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