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ABAQUS有限元分析毕业论文

作者:高考题库网
来源:https://www.bjmy2z.cn/gaokao
2021-02-28 05:53
tags:

-

2021年2月28日发(作者:河水)


洛阳理工学院毕业设计(论文)























计(论



文)






题目



翻盖手机跌落的失效分析


























刘德磊








(部)




机电工程系
















计算机辅助设计与制造






指导教师






赵秀婷



















I


洛阳理工学院毕业设计(论文)



手机盖结构抗跌落设计方法的研究









跌落冲击是普遍存在的接触动力学问题,来源于工程设计中常 见的固体物品


掉落的动力接触现象,具有很强的非线性特征。对这类跌落现象进行分析, 一般


将跌落问题采用有限元方法,并结合实际的跌落试验数据验证,从而进一步完善


有限元模拟的精度,是解决复杂结构的跌落仿真问题的有效的手段,对跌落冲击


的数值仿真技术的研究具有十分重要的理论和工程意义。


< br>本文以接触动力学为基础,采用有限元数值模拟技术,较系统地研究了手机


盖结构 跌落过程中接触和碰撞问题的一般分析方法和求解过程,为非线性有限元


仿真分析奠定了 坚实的基础。本文将接触动力学的基本方程和有限元建模方法相


结合,提出了复杂结构在 跌落冲击载荷作用下的数值模拟方法。以手机为载体,


手机透明盖为研究对象,在原手机 跌落试验发现失效的基础上,详细比较了手机


盖结构改善前后的区别,并对改善后的手机 盖结构进行有限元模型的构建,详尽


分析了单元类型的选择、零件间连接关系的定义、边 界条件的定义。



通过对手机不同跌落方向的模拟仿真获得了手 机盖在手机跌落时的响应特


性,为研究其他同类复杂结构的冲击动力学研究提供了一定的 理论支持和工程参


考。



< p>
关键词:


有限元法,跌落撞击试验,手机盖,数值模拟








II


洛阳理工学院毕业设计(论文)



STUDY OF ANTIDROP DESIGN FOR MOBILE



PHONE STRUCTURE



ABSTRACT



Drop and impact are ofen seen in engineering practice and recognized as a contact


collision


problem,and


the


problem


shows


highly


characteristics


of


nonlinearity.


Normally


it



s


effective


method


to


solve


dropping


issue


complex


structure


with


finite


element method and actual dropping test data,and it will improve the precision of finite


element the analysis and research for drop phenomena with finite element


method is important in both theoretical and engineering fields.


Studying


the


general


analysis


method


and


solving


process


of


the


phone



s


flip


contact and impact duing dropping with finite element


analysis simulation technology


based on the contact dynamics will be the set up for nonlinear simulation is


be provied that simulation method with complex structure,during dropping impact load


and combined with contact dynamics and finite element analysis method.


The


phone



s


flip


is


taken


as


the



on


the


failure


of


original


flip


drop


test,the


difference


between


original


and


modified


flip


strucyure


is


compared,and


the


finite


element


model


with


the


modified


flip


structure


is


set


t


selecting,interaction definition and boundary condition definition are analyzed in detail.


The response character of the transparent flip is analyzed by using different drop


orientation



phone



s


drop


test


is


done


in


order


to


verify


the


simulation


test


result of


flip reliability


is


obtained through two different


drop test


methods,which


shows


consistency


between


test


and


simulation


result



phone



s


flip


drop


test


is


explored,theoretical


support


and


engineering


reference


is


contributed to the impact dynamics research of similar complex strucyure.






KEY WORDS:


Finite element method,Drop impact test,Mobile phone flip,Numerical


simulation


III


洛阳理工学院毕业设计(论文)











.......................... .................................................. .................... 1




1




绪论


......................... .................................................. ........... 2



1.1


课题背景



.


.................................................. ............................ 2



1.1.1


振动与冲击对电子设备的危害



.................................. 2



1.1.2


电子产品跌落试验的必要性



.


..................................... 3



1.2


国内外研究现状



......... .................................................. ........ 4



1.3


本课题研究内容



......... .................................................. ........ 6




1




ABAQUS


有限元分析基础


.................................................. 8



1.1


有限元法与数值模拟技术


................ ................................... 8



1.1.1


有限单元法分析


... .................................................. .... 8



1.1.2


有限单元法分析实现手段



.


......................................... 9



2. 1ABAQUS


软件简介


................ ........................................ 9



2.1.1 ABAQUS


软件的结构


............................................... 10



2.1.2 ABAQUS


软件的特点


............................................... 11



2.1.3 ABAQUS


的分析步骤


............................................... 11




2




非线性有限元及碰撞理论


................................................. 14



2.1


非线性有限元介绍


................... .......................................... 14



2.2


接触和碰撞介绍



......... .................................................. ...... 15



2.2.1


接触问题求解的一般过程



.


....................................... 16



2.2.2


接触问题有限元方程的求解方法


............................ 17




3




手机翻盖部件及跌落介绍


................................................. 19



3.1


手机翻盖结构介绍


................... .......................................... 19



3.1.1


手机普通翻盖结构介绍



.

< p>
........................................... 19



3.2


手机跌落试验标准


................... .......................................... 20



3.2.1


自由跌落环境试验标准简介



.


........................... ......... 20



3.2.2


手机跌落试验工况


................... ................................ 21



3.2.2


初始条件的确定


... .................................................. .. 22




4




翻盖手机跌落数值模拟的有限元分析


.............................. 23



IV


洛阳理工学院毕业设计(论文)



4.1


有限元模型的建立


.... .................................................. ....... 23



4.1.1


有限元模型的建立原则


< /p>


.


............................ ................ 23



4.1.2


几何模型的建立


.................... ................................... 23



4.1.3


有限元网格的划分和单元类型的选择


.................... 24



4.1.4


各零部件材料的定义


............................................... 25



4.2


手机翻盖跌落数值模拟分 析


...................................... ......... 26



4.2.1


手机跌落数值分析


................... ................................ 26






.. .................................................. .......................................... 28







............... .................................................. ............................... 29



参考文献


....................... .................................................. ................. 30






.. .................................................. .......................................... 32




V


洛阳理工学院毕业设计(论文)










电子设备为人们提供了舒适、安全 、方便的生活条件,丰富了人们的


娱乐生活,其中许多设备在应用时难免要处在强烈的振 动或冲击环境下,


这种环境能显著地降低设备性能甚至引起严重损坏。而


3C


产品在运输、


装卸及使用过程中,结构可能发生破 坏,有近


80%


的电子机构产品损坏来


自于高速撞击。研发人员往往耗费大量的时间与成本针对产品做相关的品


质验证,最常见 的结构试验就是跌落和冲击试验。为了在激烈的竞争中赢


得市场,


电子产品制造商期望在最短的时间内以最好质量把产品投放市场。


因此,电子产品的抗 跌落性能越来越受到制造商的重视。为了提高电子产


品的抗冲击性能,传统的方法是做实 物试验,是一个“设计


-


样机


-


测试


-



设计”的过 程。这个过程耗费了大量的人力、物力和时间,且此方法还受


到产品尺寸的限制,有时可 能因产品尺寸的关系而不能再关键部位布置传


感器,以致无法进行试验。利用有限元软件 对电子产品进行仿真则可以弥


补以上的不足,有限元仿真可以在产品样机出来之前就对产 品进行仿真分


析,对产品抗跌落性能有预先的了解,从而完善产品设计,缩短产品的研< /p>


发周期,节省研发费用,增强市场竞争力。


随着有限元软件和计算机技术的迅速发展,计算机模拟测试已经逐渐


成为一种可以替 代实际测试的研究方法。对比实际样品的测试,计算机模


拟不仅更经济省时,而且能提供 更为全面的信息。手机跌落测试是手机产


品测试中的一个重要环节,国内外相关规范标准 中规定了手机跌落测试的


各项环境条件和操作规范。手机跌落瞬间是结构在很短时间内在 巨大冲击


载荷作用下的复杂动态冲击过程,对手机跌落进行数值模拟,研究跌落冲


击载荷下结构响应规律。







Abaqus









< br>手











Pro/ENGINEER


模型导入 ,并分析手机跌落模拟仿真过程中手机电池盖是


否同手机主体脱离,是否导致电池裸露而 使整体设计失败。




1


洛阳理工学院毕业设计(论文)




1




绪论









1.1


课题背景




电子设备为人们提供了舒适、安全、方便的生活条件,丰富了 人们的


娱乐生活,其中许多设备在应用时难免要处在强烈的振动或冲击环境下,


这种环境能显著地降低设备性能甚至引起严重损坏。而


3C


产品在运输、


装卸及使用过程中,结构可能发生破坏,有近

< br>80%


的电子机构产品损坏来


自于高速撞击。在当今竞争 日益激烈的手机市场


[1]


中,如何降低生产成本,

< p>
赚取最大利润是生产厂家所一直追求的。减少产品在流通中的损失也逐渐


成 为很多大企业增加利润的一个新途径。我们通过跌落仿真试验可以极大


的提高企业的研发 能力和产品的竞争力,


并且可以为企业减少意外的损失,


保证和 维护企业的运营、销售和信誉,为企业创造更大的利益。




1.1.1


振动与冲击对电子设备的危害




在电子设备所处的机械环境中,各种机械力和干扰形式都有可能对设


备的可



靠性造成危害,


其中危害最大 的是振动和冲击。


它们造成的危害主


要有两种:



(1)


设备在某一激振频率下导致振幅很大的共振现 象,最终因振动加速


度超



过设备所能 承受的极限加速度而破坏;


或者由于冲击所产生的冲击力


超过设 备的



强度极限而使设备破坏。



(2)


振动加速度或冲击力引起的应力虽远低于材料在静载荷下的强 度,


但由



于长时间振动或多次冲击使材料疲劳破坏,从而导致设备破坏。



设备破坏的原因,


除了零部件的设计、


制造和装配质量不合格等以外,


主要是设计整机或零部件时,


忽 视了环境条件的严酷度对设备造成的影响,


没有充分考虑设备承受环境条件界限的能力, 或是振动和冲击的隔离系统


设计不当所致。



振动和冲击对电子设备造成的危害具体表现在:



2


洛阳理工学院毕业设计(论文)



(1)


没有附加紧固措施的接插件


(< /p>


如集成电路、印刷电路板、带接插头


的连接电缆等


)


会从插槽中跳出来,


造成信号开路,并碰撞其他元件 或电路


而造成短或损坏。



(2)


阴极射线管电极变形、短路、折断;或者由于各电极作过多的相对


运 动而产生噪声信号,不能正常工作。



(3)

< br>振动引起弹性零件变形,使具有触点的元件


(


电位器、波 段开关、


插头插座等


)


产生接触不良或 完全开路。



(4)


指示灯忽亮忽暗, 仪表指针不断抖动,使观察人员读数不准,视觉


疲劳。



(5)


当零件固有频率和激振频率相同时,会产生共振现象。




(6)


电路中的安 装导线变形及移位使其相对位置改变,引起电路的部分


参数变化,从而使电感、电容的耦 合发生变化。



(7)


设备的机械结构


(


机壳、


支撑架、

支撑板等


)


变形,


脆性材料


(


如玻璃、




瓷、胶木、聚苯乙烯


)


断裂。



(8)


防潮和密封措施受到破坏。




(9)


焊锡或熔焊处断开。




(10)


螺钉、螺母松开甚至脱落, 并撞击其他零部件,造成短路和破坏。



电子设备因其中各种元器件数量多,许多元器件承受机械环境的能力


较弱,所以因机 械作用力引起的损坏和故障率也很高。在机械环境中,振


动将导致元件或材料疲劳损坏, 而冲击则是由于瞬时加速度很大造成元件


损坏。





1.1.2


电子产品跌落试验的必要性




日常生活中,


电子产品在运输、


装卸和使用过 程中结构可能发生破坏。


尤其便携式电子产品的使用日益普遍,其抗冲击性能越来越受到 关注。如


移动电话、


PDA(


掌上电脑


)


、笔记本电脑、电子词典、


MP3


播放器等在使


用过程中难会掉落



到地上造成这样那样的损坏,


包括外壳、


显 示屏以及内


部电子元件的损。电子设备向人类活动的各个领域渗透,仅以电路性能作


为评价其技术指标的观念将到挑战。



3


洛阳理工学院毕业设计(论文)



为了 在激烈的竞争中赢得市场,电子产品制造商期望在最短的时间内


以最好质量把产品投放市 场。因此,电子产品的抗跌落性能越来越受到制


造商的重视。


为 了提高电子产品的抗冲击性能,


传统的方法是做实物试验,


是一 个“设计


-


样机


-

测试


-


再设计”的过程。这个过程耗费了大量的人力、


物力和时间,且此方法还受到产品尺寸的限制,有时可能因产品尺寸的关

系而不能再关键部位布置传感器,以致无法进行试验。利用有限元软件对


电子产品进 行仿真


[2]


则可以弥补以上的不足,有限元仿真可以在产品样 机


出来之前就对产品进行仿真分析,对产品抗跌落性能有预先的了解,从而


完善产品设计,缩短产品的研发周期,节省研发费用,增强市场竞争力。




1.2


国内外研究现状



< br>近年来,为了切实提高产品在意外跌落


[3]


时的可靠性 ,很多研究者对


电子产品等的抗冲击性能进行了广泛的研究。这些研究主要从试验研究、


数值模拟和理论解释三个方面进行了努力。


< br>试验研究可以分为针对整个产品的实验研究和针对部件的实验研究两


种。目前针对 整个产品的实验研究还处于在试验现象的观测阶段。实验通


常在各实验室针对个别产品进 行;实验中用到的传感器则多数为在电路板


上贴应变片和加速度传感器,在撞击平面安装 力传感器来测量撞击力;通


常采用高速摄像机来观测撞击的过程。在研究产品的某些敏感 部件的抗冲


击性时,常常用冲击试验


[4]

替代产品的实际跌落试验。在进行冲击试验时,


首先将被测部件以一定方式牢固地安 装



在冲击试验机的载物台上,


然后使


规定形状、幅度和持续时间的脉冲作用到被测产品或部件上。这些初步的


试验研究解决了一些技术性的问题如跌落姿态的控制,


传感器的安装等等,


同时初步的实验现象和实验数据给进一步的研究提供了一定的启示。



对于产品的跌落试验,一个重要问题是跌落姿态的控制。


Mot orola



司的


Wu


等等,


用一种柔性固定设备解决这一问题


:


用几根细线将样品悬挂


在一个跌落架上,试验时让样品随同跌落架同时下 落,当样品与底面碰撞


后即让跌落架停止下落。


Lucent< /p>


公司贝尔实验室的


Goyal



Buratynski



利用类似跌落试验台的装置


:


将样品悬挂在试验台上,使得样品和试验台


4


洛阳理工学院毕业设计(论文)



同时 下落,


在试验台碰到地面之前将样品释放,


当试验台刚刚停止运 动时,


样品撞到试验台上,因而样品没有足够的时间改变冲击姿态。新加坡国立


大学的


Shim


[5]



Lim


设计了一个更为灵活的跌落试验机

(


该设计己经获得


美国专利


)


,该试验机利用一对可转动的夹钳将样品固定在一定方位,夹钳


则固 定在有导轨的滑块上,试验时滑块带着夹钳和样品同时下落,在落地


前的一瞬间,通过电 磁开关使夹钳打开释放样品。最近,日本的



Yoshida


Seiki


公司推出一种专门针对便携式电子产品的跌落试验机


DT202,


与新加


坡国立大学的设计 不同在于其固定系统使用一对压缩空气笔。几种方法比


较,新加坡国立大学的

< p>
Lim


等的设计最为可取,不仅保证了跌落姿态,同


时通过控制夹钳的旋转角度保证了实验的稳定性与可重复性。另外,沈阳


新乐精密机械 公司的于治会、清华大学的李鸿儒、西安工业大学的袁艳等


针对不同产品的跌落状况,分 析跌落原理并设计出了跌落冲击试验台。



对于部件的实验研究 ,各半导体和电子产品供应商均采用冲击试验来


测量不同电子封装芯片的可靠性,如日本


Fujitsu


公司,


Nokia


公司等。


JEDEC


推出针对便携产品的电 路板水平冲击测试标准


JESD22-B111


,统一


规定了电路板尺寸,芯片的布局,测试板环链线路


(daisy cha in)


的规格,和


测试方法等等。标准要求电路板经受峰值


1500g


,作用时间为


0.5 ms


的半


正弦的加速度脉冲。



随着有限元分析软件和计算机技术的迅速发展,计算机模拟测试已经


逐 渐成为一种可以替代实际测试的研究方法。对比实际样品的测试,计算


机模拟不仅更经济 省时,而且能提供更为全面的信息。



近几年很多研究者介绍了 用各种有限元软件进行电子元器件研究的方


法。



Zhu


[6]


应用子模型技术研究了


BGA


芯片的电路板焊点冲击响应;


Sogo



[7]


发展了一种两步模式分析电路板焊点冲 击响应,并且从实验中得到验



:Scot Irving


等则尝试用


ANSYS


的隐式代码来模拟一 种


Fairchild


芯片的


冲击试验


:Lall


等介绍了一种模糊性质模型


(Smeared


property


formulatio ns)


来模拟电路板的冲击;


Ren


等采用梁和壳的简化模型来模拟电路板的冲击


响应,与未简化的三维模型对比结果相当符 合;


Tee


等对各种封装形式的


芯片如 窄带球栅阵列


(Thin-profile Fine-pitch BGA,TFBG A)


,方形扁平无引


脚封装


(Quad


fiat


no-lead,


QFN )


,和整合式被动元件


(Integrated


passives


5


洛阳理工学院毕业设计(论文)



device, IPD)


等进行了数值模拟和实验验证。


另有一些研究者对具体的产品跌落试验进行数值模拟分析。


Wu

[8]


等最


先介绍了采用


LS-D YNA


的显式代码进行跌落试验数值模拟的基本方法。


Low< /p>


[9]


等研究了迷你高保真音像设备在跌落冲击下的瞬态响应,数 值模拟


得到的加速度响应与试验相比较为接近


:Lim


[10]


等利用


Abaqus/Explici t


对寻


呼机的跌落冲击进行了数值模拟;


Ericsson


公司的


Zhu


等通 过模拟手机跌


落的不同破坏模式,示范了各种分析模块和技术,包括顺序法


(Sequential


technique)



子模态法


(Sub-mode technique)


等;


Pan


[11]


等 则对


TET LCD


显示


器进行了详细 的数值模拟,试验验证和包装改进的工作;同济大学的李鹏


忠分析模拟了


UT


斯达康小灵通手机在自由跌落环境下响应


[12]


。此外还有


包装体、医疗箱等的跌落仿真研究。



理论研究方面己经突破了原有的单自由度模型,并利用结构冲击动力


学的方法来研究。虽然单自由度模型提供了系统冲击响应的基本概念,但


由于忽略了部件的可变性以及部件和其支撑结构之间可能的祸合运动,对


分析实际的产品 可能过于粗糙。



以上对于产品跌落实验的研究,主要着重于用 有限元软件进行仿真,


而没有进行后续的试验验证阶段,或者是基于简单的结构模型试验 来对有


限元仿真进行修正,这些都对整体的结构分析带来一定的局限,也给分析


的结果带来了一定的偏差。鉴于此,为了在复杂的冲击动力学问题中更加


真实有效地进行数值模拟,本课题提出将试验方法与数值仿真相结合,用


试验来验证仿真 的准确性,确认有限元模型的合理性。





1.3


本课题研究内容








我们选用


CAD


造型软件建立起了手机模型 。由于手机内部的结构比


较复杂、造型困难,也为了在


ABAQ US


中进行跌落模拟试验的方便,按


照一定的原则,我们造型时 对手机模型进行了适当的简化。最后我们利用


有限元软件


ABA QUS


对建立起的手机翻盖模型进行处理,并对手机的跌


落试验 进行模拟仿真分析。通过观察手机受到跌落冲击过程中,应力、应


变等情况的变化,我们 可以找出手机受到跌落冲击时的薄弱或易损位置。


6


洛阳理工学院毕业设计(论文)



这些 数值和分析既可以让我们对己有产品进行检测,发现其可能出现的质


量问题并加以改进, 也可以将其应用于新产品的开发上,从而得到在产品


设计中最适合的产品造型和工艺参数 。




























7


洛阳理工学院毕业设计(论文)





1




ABAQUS


有限元分析基础





1.1


有限元法与数值模拟技术




在工程技术领域中有许多力学问题和场问题,例如固体力学中的应力


应变 场和位移场分析、传热学中的温度场分析、流体力学中的流场分析、


以及电磁学中的电磁 场分析等,都可以看做是在一定边界条件下求解其基


本微分方程的问题。对于这类问题, 往往需要借助于各种行之有效的数值


计算方法来获得满足工作需要的数值解,这就是数值 求解技术,他在实际


工作领域发挥着举足轻重的作用。目前在工程实际应用中,常用的数 值求


解方法有:有限单元法、有限差分法、边界单元法和加权残数法等。但从

< p>
实用性和使用范围来说,有限单元法则是随着计算机的发展而被广泛应用


的 一种行之有效的数值计算方法。它在工程技术领域的应用十分广泛,几


乎所有的弹塑性结 构静力学和动力学问题都可以用它求得满意的数值结


果。




1.1.1


有限单元法分析



< br>有限单元法


[13-14]



F inite


Element


Method

< br>)的基本思想最早出现于


20


世纪


40


年代初期,直到


1960


年,美 国的克拉夫(


Clough.R.W


)在一篇论


文中首次使用


“有限单元法”


这个名词。



20


世纪


60

< p>
年代末至


70


年代初,


有 限单元在理论上已基本成熟,


并开始陆续出现商业化的有限元分析软件。



有限单元法的基本思想是将连续的结构离散成有限个单元,并在每一


个单元中设定有限个节点,将连续体看作是只在节点处相连接的一组单元


的集合体;同时选定场函数的节点值作为基本未知量,并在每一单元中架


设一近似插值函 数以表示单元中场函数的分布规律,进而利用力学中的某


些变分远离去建立用以求解节点 未知量的有限元法方程,从而将一个连续


域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自 由度问题。一经求解就可


以利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以致整个集合 体上的场


8


洛阳理工学院毕业设计(论文)



函数 。有限单元法解题的一般步骤是:结构离散化、选择位移模式、建立


平衡方程、求解节点 位移、计算单元中的应力应变。有限元分析本体程序


的内容取决于采用有限单元法分析的 问题类型。可以是静力学的或动力学


的问题,可以是温度场或流场问题,可以是稳态场或 瞬态场问题,也可以


是线性的或非线性的问题等等。





1.1.2


有限单元法分析实现手段




有限单元法分析实现手段主要是通过有限元分析软件来实现的。目前


国际 上较大型的面向工程的有限元通用软件主要有:


ANSYS


、< /p>


NASTRAN



ASKA



ADINA



SAP



ABAQUS


等。其中以


ANSYS


为代表的工程数值


模拟软件,是一个多用途 的有限元分析软件,它从


1971


年的


2.0


版本与今


天的


10.0


版本已有很大的不同,其分析功能不断完善和扩充,起初它仅提


供结构线 性分析和热分析,现在还可以用来求结构、流体、电力、电磁场


及碰撞等问题。它包含了 前置处理、解题程序以及后置处理,将有限元分


析、计算机图形学和优化技术相结合,已 成为现代工程问题必不可少的有


力工具。


ABAQUS


是一套基于工艺模拟系统的有限元系统


(FEM)


,专门设


计用于分析各种金属成形过程中的三维



(3D)


流动,提供极有价值的工艺


分析数据,有关成形过程中的材料和温度流动。在这里,它也是本课题研


究的基础软件工 具。




2. 1ABAQUS


软件简介




ABAQUS


是一套基于工艺模拟系统的有限元系统

(FEM),


专门设计用


于分析各种金属成形过程中的三维


(3D)


流动,提供极有价值的工艺分析数

据,有关成形过程中的材料和温度流动。典型的


ABAQUS


应用包括锻造、


挤压、镦头、轧制、自由锻、弯曲和其他成形加工手段。


ABAQUS


是模拟


3D


材 料流动的理想工具。它不仅鲁棒性好,而且易于使用。


ABAQUS


大的模拟引擎能够分析金属成形过程中多个关联对象耦合作用的大变形和


热特性。系统中集成了在任何必要时能够自行触发自动网格重划生成器,


9


洛阳理工学院毕业设计(论文)



生成优化的网格系统。在要求精度较高的区域,可以划分较细密的网格,


从而降低题目的 规模


,


并显著提高计算效率。


ABAQ US


图形界面,既强大


又灵活。为用户准备输入数据和观察结果 数据提供了有效工具。


ABAQUS


还提供了

< br>3D


几何操纵修正工具,


这对于


3D


过程模拟极为重要。


ABAQUS


延续了


ABAQUS


系统几十年来一贯秉承的力保计算准确可靠 的传统。在


最近的国际范围复杂零件成形模拟招标演算中,


AB AQUS


的计算精度和结


果可靠性,被国际成形模拟领域公认为 第一。相当复杂的工业零件,如连



,


曲轴


,


扳手


,


具有复杂筋


-


翼的结构零件


,


泵壳和阀体,


ABAQUS


都能够令


人满意地例行完成。


ABAQUS


是在一个集成 环境内综合建模、成形、热传


导和成形设备特性进行模拟仿真分析。适用于热、冷、温成 形,提供极有


价值的工艺分析数据。如:材料流动、模具填充、锻造负荷、模具应力、< /p>


晶粒流动、


金属微结构和缺陷产生发展情况等。

< br>ABAQUS


功能与


2D


类似,


但它处理的对象为复杂的三维零件、模具等。




2.1.1 ABAQUS


软件的结构




ABAQUS


软件主要包括三个部分:前处理器、求解器和后处理器。前


处理器提供了强大的实体建模及网格划分工具,用户可以方便地构建有限


元模型;求解器主要用来对前处理器中建立的有限元模型求解;后处理器


则可以 对模拟计算的结果进行观察。其各部分的具体功能如下:



(1)


前处理器




前处理器主要是用来建立有限元模型的,

这也是问题求解的前提。



前处理器中,我们可以对模型进 行选择单元类型,设置单元实常数,设置


材料属性,构建几何模型,划分网格等操作。< /p>



(2)


求解器




求解器的功能包括指定分析类型


(< /p>


包含一些参数的设置


)



施加载荷和


约束,进行求解。



(3)


后处理器




ABAQUS


软件的后处理过程包括 两个部分:通用后处理器和时间历


程后处理器。



10


洛阳理工学院毕业设计(论文)




2.1.2 ABAQUS


软件的特点




ABAQUS


具有如下特点:



(1)



不需要人工干预,全自动网格再剖分。




(2)



前 处理中自动生成边界条件


,


确保数据准备快速可靠。

< p>



(3)


ABAQU S


模型来自


CAD


系统的面或实体造型 (


STL/SLA


)格式。




(4)



集 成有成形设备模型,如:液压压力机、锤锻机、螺旋压力机、


机械压力机、轧机、摆辗机 和用户自定义类型(如胀压成形)





(5)



表面压力边界条件处理功能适用于解决胀压成形工艺模拟。




(6)



单 步模具应力分析方便快捷,适用于多个变形体、组合模具、带


有预应力环时的成形过程分 析。




(7)



材料模型有弹性、刚塑性、热 弹塑性、热刚粘塑性、粉末材料、


刚性材料及自定义类型。




(8)



实 体之间或实体内部的热交换分析既可以单独求解,也可以耦合


在成形模拟中进行分析。< /p>




(9)


< /p>


具有


FLOWNET


和点迹示踪、变形、 云图、矢量图、力


-


行程曲


线等后处理 功能。




(10)



具有


2D


切片功能,可以显示工件或模具剖面结果。



(11)



程序具有多联变形体处理能 力,


能够分析多个塑性工件和组合模


具应力。

< br>



(12)



后处理中的镜面反射功能,


为用户提供了高效处理具有对称面或


周期对称面的机会,并且可以在后处理中显示整个模型。




(13)



自定义过程可用于计算流动应力、


冲压系统响应、


断裂判据和一


些特别的处理要求,如:金属微结构,冷却速率、机械性能等。




2.1.3 ABAQUS


的分析步骤




ABAQUS


在进行有限元求解时也遵循一般的有限元求解过程,


其基本


步骤为:



11


洛阳理工学院毕业设计(论文)



(1)


求解域离散化




ABAQUS


中将某个工程结构离散为由各种单元组 成的计算模型,


这一步称为单元划分。离散后,单元与单元之间利用单元的节点相互连接


起来


;


单元节点的设置、性质、数量等 根据具体问题的性质,描述变形形态


的需要和计算精度而定。划分的单元数目足够多而且 合理,则所获得的结


果与实际情况更符合。



(2)


单元特性分析



①选择位移模式







在有限 元法中,选择节点位移作为基本未知量称为位移法;选择


节点力作为基本未知量称为力法


:


取一部分节点力和一部分节点位移作为


基本未知量称为混合法。因为位移法易于实现计算格式的自动化,所以应


用最广。


ABAQUS


就是采用建立在理想化的有限元模型上的矩阵位移法。








ABAQUS

中将物体或结构离散化之后,把单元中的一些物理


量如位移、应变和位移等由节点位 移来表示。这时可以对单元中的位移分


布采用一些能逼近原函数的近似函数加以描述,即 把位移表示为坐标变


t


的插值函数,这种函数称为位移模式或位 移函数。



②分析单元的力学性质







ABAQUS


根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及


其含义等,找出单元节点力和节点位移的关系式。其基本步骤是应用弹性


力学中的几何方程和物理方程建立力和位移的关系式,进而导出单元的刚


度矩阵 ,这是单元分析的关键。



③计算等效节点力







ABA QUS


将物体离散化后,


假定力是通过节点从一个单元传递到< /p>


另一个单元的。但实际的连续体,力是从单元的公共边界传递到另一个单

< br>元中去的。所以,


ABAQUS


必须把作用在单元边界上 的表面力、体积力或


集中力等效地转移到节点上,也就是用等效节点力来替代所有作用在 单元


上的力。



(3)


建立系统方程







ABAQUS


利用系统平衡条件和边界条件,


把各单元按原来的结构


重新组合,形成整体有限元方程。


AB AQUS


利用该方程便可以求出具有惯


12


洛阳理工学院毕业设计(论文)



性和阻尼影响的,任意时刻的位移值。



(4)


求解未知节点位移







ABAQUS


采用波前法对由矩阵位移法建立的拟线性方程进行求< /p>


解,可以在较短的计算时间内取得较高的精度。这种方法具备求解大型结

< br>构的能力,它对分析对象的单元数没有限制,即分析定义中没有“带宽”


的限制, 却存在对波前数的限制。对于一些自由度数很大的问题,只能通


过外部波前处理进行求解 ,这必须以增加计算时间为代价。



简而言之,有限元分析主要 分为三个步骤


:


创建有限元模型


(


前处理


)



施加载 荷进行求解


(


求解


)

< br>和查看结果


(


后处理


)




有限元过程分析的一般流程如下图


1-1


所示:





1-1


有限元工程分析的一般流程



13


洛阳理工学院毕业设计(论文)




2




非线性有限元及碰撞理论





2.1


非线性有限元介绍




非线性有限元方法


[13-14]


是在线性有限元的基 础上计算非线性问题的


一种数值方法,它包含了几何非线性、材料非线性、边界非线性等 几个方


面的内容。


大容量的电子计算机是发展非线性有限元的必 备手段。


在国外,


由于计算机的高速发展,非线性有限元法在各 个学科领域己经被广泛地采


用;在国内,从二十世纪八十年代初开始,非线性有限元法逐 步地引起了


学术界和工程界的广泛重视和应用非线性有限元分析是计算机辅助设计的


基本组成部分。由于它提供了更快捷和低成本的方式评估设计的概念和细

节,因此,人们越来越多地应用非线性有限元仿真的方法代替样品原型的


试验。例如 ,在汽车设计领域中,对初期设计概念和最终设计细节的评估,


碰撞的仿真代替了整车的 试验,


如布置判定气囊释放



的加速计 、


内部的缓


冲装置以及选择材料和满足碰撞准则的构建截面。< /p>


在许多制



造领域,

可以


进行加工过程的仿真,从而加速了设计过程,例如金属薄板成型、挤压和


铸造。在电子工业中,为了评估产品的耐久性,仿真分析代替了跌落试验。

依据方程和边界条件的具体特点,


非线性问题可以分为


3< /p>


类,


即材料非



线


性、几何非线性和边界非线性。



(1)


材料非线性





当结构的形状出现不连续变化


(


如缺口、裂纹、突变等


)


时,这些部分


出现应力集中。当外载荷达到一定量值时,这些部位首先进入塑性 状态。


这时线性弹性的本构关系不再适用。另外,还有一些材料


(


如高分子材料


)


的应力应变物理特性 本身就呈现非线性性质。它们所表现的共同特点是表


征材料的本构方程是非线性的,将弹 性、塑性和粘性三类元件以不同的形


式加以组合,可以获得更为复杂的材料模型。至于某 种工程材料用那一类


模型能更实际地反映其物理力学性能,这要由试验研究来决定。



(2)


几何非线性



几何非线性是由结构变形 的大位移所造成的。在讨论线性弹性力学问


14


洛阳理工学院毕业设计(论文)



题时 ,均隐含一个假设


:


结构在外载荷作用下产生的位移及应变都是 很小


的,在建立结时,可以不考虑物体位置和形态的变化,也就是用变形前的

< p>
状态建立平衡条件。同时还认为应变与变形之间存在线性关系。因此在线


性 有限元计算中,仍假定结构加载过程中单元的几何形态基本不变。这实


质上是一



种线性近似。



(3)


边界非线性



边界非线性包括两个结构物的接触边界随加载和变形而改变引起的接


触非线性< /p>


(


它又包含有摩擦接触和无摩擦接触


)< /p>


,也包括非线性弹性地基的


非线性边界



条件和可动边界问题等。


两个物体相互接触后,


随着两个物体


间接触合力的变化,


< br>它们之间接触面的大小、


接触处的应力均会发生变化。


这 些变化不仅与接触面力的大小有关,而且与两个物体的各自材料性质有


关。即使材料是线 性弹性的,接触问题仍然表现出强非线性性质。如果材


料性质是非线性的,接触非线性性 质表现更为强烈与复杂。




2.2


接触和碰撞介绍



< br>接触和碰撞是生产和生活中普遍存在的力学问题。例如汽车车轮和路


面的接触,火 车车轮和铁轨的接触,发动机活塞和气缸的接触,轴和轴承


的接触,以及齿轮传动过程中 齿面的相互接触等,可以说无处不在。接触


过程中两个物体在接触界面上的相互作用是复 杂的力学现象,同时也是它


们损伤直至失效和破坏的重要原因。现代生产和科技的发展提 出了一系列


有关接触和碰撞的重要课题,例如金属构件的冲压成型,汽车的碰撞,飞


行物对结构的冲击等。前者关系到汽车、飞机、火箭等重要产业的产品品

质;后两者还关系到生命财产的安全。



有限元法及计算机 技术的发展为分析接触和碰撞问题提供了有力的工


具,对接触的全过程进行计算机数值模 拟,现在不仅可能实现,而且正逐步


成为


CAE(CAD/CA M)


的一个组成部分。



接触过程在力 学上常常同时涉及三种非线性,即除大变形引起材料非


线性和几何非线性以外,还有接触 界面的非线性,这是接触问题所特有的。











接触界面非线性来源于三个方面


:


15


洛阳理工学院毕业设计(论文)



(1)


接触界面的区域大小和相互位置以及接触状态不仅事先 是未知的,


而且随时间变化的,需要在求解过程中确定。



(2)


接触条件的非线性。接触条件的内容包括


:


接触物体间不可相互侵


入;和接触力的法向分量只 能是压力;



(3)


切向接触的摩擦 条件。


这些条件区别于一般约束条件,


其特点是单


边的不等式约束,具有强烈的非线性。



接触界面的 事先未知性和接触条件的不等式约束决定了接触分析过程


中需要经常插入接触界面的搜寻 步骤。接触条件的强烈非线性需要研究比


求解其他非线性问题更为有效的求解方案和方法 。




2.2.1


接触问题求解的一般过程




接触过程通常是依赖于时间,


并伴随着材料非线性和几何非线性的演化< /p>




程。特别是接触界面的区域和形状以 及接触界面上运动学和动力学的状


态也是事前未知的。这些特点决定了接触问题通常采用 增量方法求解。接触


界面条件


(


不可贯 入条件,法向接触力为压力的



条件和切向摩擦力的条件


)


都是不等式约束,也称之为单边约束。而且如前所述,接触面的范围 和接触


状态也是事先未知的。


此特点决定了接触问题需要采用试 探校核的迭代方法


进行求解。



每一增 量步的试探


-


校核过程可一般性地表达如下:

< br>


(1)


根据前一步的结果和本步给定的载荷条件,通 过接触条件的检查和


搜寻,假设此步第一次迭代求解时的接触面的区域和状态。



(2)


根据上述关于接触面区域和状态所作 的假设,对于接触面上的每


一点,


将运动学或动力学上的不等式 约束改为等式约束作为定解条件引入


方程并进行方程的求解。



(3)


利用接触面上和上述等式约束所对应的动力学或运动学 的不等式


约束条件作为校核条件对解的结果进行检查。如果物体表面的每一点都不


违反校核条件,则完成本步的求解并转入下一增量步的计算;否则回到步



1


再次进行搜寻和迭代求解,直至每一点的解都满足校核条 件。然后再


转入下一增量步的求解。



16


洛阳理工学院毕业设计(论文)



由接触问题的特点决定了其通常要采用增量法求解,而将接触界面条件

< br>引入到求解方程的方法一般来说有两种:


一种是拉格朗日乘子法;


另外一种


是罚函数法。


而在动力学分析中罚函数法应用 的更见广泛,


它和拉格朗日乘


子法相比较,

用罚函数法引入接触界面约束条件的优点是不增加问题的自由


度,

< br>可以和利用显式数值积分法求解包含惯性项的接触问题时的求解方程相


协调。由于 系数矩阵保持正定,在静力接触问题求解时,可以避免由于系数


矩阵保持正定性可能出现 的麻烦。




2.2.2


接触问题有限元方程的求解方法



< /p>


非线性有限元理论中准静态问题仅是一个空间域问题,所以可以采用


结构离散的有限单元法求解;而动力学问题是涉及到时间域的,应用有限


元显然是不合 适的,也不经济的,因此人们找到了新的方法来求解,即显


示积分算法。而对于显示积分 算法来说应用的最广泛的算法就是中心差分


法,所以下面简要分析和总结一下中心差分法 的求解原理。



中心差分法求解算法的原理如下:



(1)


建立碰撞运动方程



?


M


?


?


a


?


?


?

< br>C


?


?


v


?


?


?


K


?


?


d


?


?


?


F


cx


?






















?


2


?


1


?



式中


?

< p>
M


?


为结构的质量矩阵;


?


C


?


为结构的阻尼矩阵;

< p>
?


K


?


为结构

< p>
的刚度矩阵;


?


a


?


为加速度向量;


?


v


?


为速度向量;


?


d


?


为位移向量;


?


F


cx


?



包括碰撞力的 外力向量。



x


若令

< br>?


F


cx


?

?


?


C


?


?


v


?


?


?< /p>


K


?


?


d


?


,并设


?


F


r


e


?


?

< p>
?


F


e


x


?


?


?


F

t


?


,则碰撞方程


在总体坐标系下 ,碰撞的运动方程可以表示为:



可以写成



?


M


?


?


a


?< /p>


?


?


F


re


?








































?


2


?


2


?




(2)



中心差分积分算法



用显式方法求解碰撞运动方程,即



a


i


?


F


i


m


/


M


i











































?


2


?


3


?
















然后对时间积分求得速度


v


i


,再积分一次就会获得位移


d


i

,这里采


17

-


-


-


-


-


-


-


-



本文更新与2021-02-28 05:53,由作者提供,不代表本网站立场,转载请注明出处:https://www.bjmy2z.cn/gaokao/679091.html

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