CAE仿真技术在电子产品结构设计的应用

0 引 言

接触和碰撞是生产、生活中普遍存在的力学问题。例如汽车、飞机、火车、船舶等运输工具的碰撞，以及包装体、通信设备、消费性电子产品、医疗箱等产品的跌落，可以说接触碰撞是无处不在、不可避免的。有关研究表明，在新产品研制过程中，约70%～80%的成本耗费于设计阶段，因为在这个过程中，存在着因产品设计存在缺陷而导致产品重复修改、甚至重新设计，不仅耗费时问精力，而且造成产品成本上升、不能按时投放市场。近些年来，由于计算机软硬件和有限元理论的迅速发展，运用CAE(计算机辅助工程)软件对电工电子产品进行可靠性仿真分析已经成为一种流行的趋势。在产品开发阶段，利用计算机仿真方法进行结构耐撞性的分析，不仅可以有效地提高产品的可靠性，而且能降低开发成本，提高产品的市场竞争能力。

本文利用HyperMesh/Ls-Dyna有限元分析软件对一款MP3整体模型实现了由PRO/E中导人，并按照真实MP3产品跌落的实际操作进行跌落模拟仿真分析，迅速和准确地得到了其应力、应变各种参数，进而对其结构设计起到指导作用。

1 接触和碰撞的有限元算法和自由跌落试验

1.1 接触和碰撞的有限元算法

MP3跌落是MP3产品在极短的时间内，在剧烈碰撞动态载荷作用下发生的复杂非线性动态响应过程。系统除了具有几何非线性和材料非线性以外，还有接触界面的非线性。因此，像这种瞬态冲击动力学问题，一般都采用显式直接积分求解算法，而直接积分法中的中心差分法最常用。

1.1.1 中心差分法的原理[1]

中心差分法中，加速度和速度可以用位移表示，即

时间ι+△t的位移解答at+Δt，可由时间t的运动方程得到满足，即由下式得到：

为此，中心差分法递推公式可由式(1)～式(3)得到：

1.1.2中心差分法的算法步骤

(1)初始计算

a)形成刚度矩阵K、质量矩阵M和阻尼矩阵C。

b)给定ao，△o和△o;

c)选择时间步长△t;

d)计算a-Δt;

e)形成有效质量矩阵M。

(2)对于每一时间步长进行计算和求解

a)计算时间t的有效载荷：

b)求解时间t+△t的位移：

c)如果需要，根据式(1)和式(2)计算时间t的加速度和速度。

以上简要介绍了中心差分法的原理和求解步骤。