經(jīng)過適當(dāng)?shù)膸缀魏喕?，充分考慮材料的相關(guān)特性，合理的再現(xiàn)零件之間的裝配關(guān)系，應(yīng)用 ABAQUS 模擬手持式電動工具跌落測試，結(jié)果表明：仿真分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，能夠觀測到整個(gè)跌落沖擊過程及產(chǎn)品內(nèi)部的沖擊特性，幫助找到導(dǎo)致失效的真實(shí)原因。跌落仿真分析結(jié)果可以有效的指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，在樣機(jī)出來之前消除一些設(shè)計(jì)缺陷。

 

引言

手持式電動工具在整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期內(nèi)，需要考慮相關(guān)的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，使最終設(shè)計(jì)的產(chǎn)品符合其要求，跌落測試就是認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中的其中一項(xiàng)內(nèi)容。按規(guī)定條件將手持式電動工具跌向剛性地面，檢驗(yàn)工具在誤跌時(shí)，電氣、機(jī)械、功能的可靠性[1]。只有經(jīng)過跌落測試，功能不喪失且電氣及機(jī)械性能安全的產(chǎn)品才是對客戶負(fù)責(zé)任的產(chǎn)品。按照傳統(tǒng)的方法，只有在拿到物理樣機(jī)后才能進(jìn)行跌落測試，既耗時(shí)又不經(jīng)濟(jì)，設(shè)計(jì)的改進(jìn)局限性也很大。借助于有限元仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可隨意選擇多個(gè)跌落方向，迅速模擬跌落過程。關(guān)于仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文從幾何簡化、材料屬性等方面進(jìn)行探討，旨在為后續(xù)的手持式電動工具及類似產(chǎn)品跌落仿真提供參考。本文采用 ABAQUS 對手持式電動工具進(jìn)行跌落仿真并加以闡述。

 

1 有限元模型

1.1 幾何簡化

在手持式電動工具跌落測試中，出現(xiàn)失效的不一定是直接接觸剛性地面的零件，也有可能是處于載荷傳遞路徑上的零件。模擬過程中，僅保留核心零件，其余零件的質(zhì)量賦予質(zhì)心，再建立質(zhì)心跟核心零件間的連接關(guān)系這種方法就有一定的局限性。除非已經(jīng)確定整機(jī)中該零件是唯一需要驗(yàn)證的零件，否則建議建立整機(jī)模型的有限元模型。但是，并不意味著需要將所有零件都考慮進(jìn)來，那些對結(jié)果影響很小的零件（如內(nèi)部電線、薄墊片、彈簧、橡膠圈、標(biāo)簽等）可以忽略。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜且并非跌落測試中的關(guān)鍵零件（如馬達(dá)、PCB 等），可用簡單的幾何來代替。關(guān)鍵零件的某些細(xì)小特征對結(jié)果影響很小，但是對網(wǎng)格質(zhì)量影響較大，也可考慮去除。經(jīng)過這些考量，該有限元模型既可以保留整機(jī)的屬性又可以很大程度上減少前處理工作量、提高網(wǎng)格的質(zhì)量、縮短計(jì)算時(shí)間。某手持式電動工具幾何簡化后模型見圖 1。

 

 

圖 1 某手持式電動工具幾何簡化后模型

 

1.2 材料屬性

電動工具零件的材料基本包含鋼，鑄鋁，塑料，橡膠等。其中，鑄鋁件和塑料件在跌落測試中容易出現(xiàn)失效，是重點(diǎn)考察對象。

 

跌落測試中，材料不只處于彈性變形階段，通常都會超過屈服極限進(jìn)入塑性變形階段。此時(shí)，僅考慮材料的彈性屬性（如楊氏模量、泊松比）已不足以反應(yīng)材料的真實(shí)情況。因此，在處理跌落仿真時(shí)，需要考慮材料以下幾個(gè)方面的影響。

 

1.2.1 塑性

材料的標(biāo)準(zhǔn)試樣通過拉伸試驗(yàn)或者三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)獲得材料的名義應(yīng)力應(yīng)變曲線，典型的金屬材料名義應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示。

 

 

圖 2 典型的金屬材料名義應(yīng)力應(yīng)變曲線

 

ABAQUS 中，需輸入真實(shí)應(yīng)力和塑性應(yīng)變。名義應(yīng)力應(yīng)變和真實(shí)應(yīng)力、塑性應(yīng)變的轉(zhuǎn)換關(guān)系如公式（1）~（3）所示[2]。

 

 

 

式中：s true 為真實(shí)應(yīng)力，Mpa；s nom 為名義應(yīng)力，MPa； true e 為真實(shí)應(yīng)變； nom e 為名義應(yīng)變； pl e 為塑性應(yīng)變； E 為楊氏模量，MPa。

 

1.2.2 溫度和水處理

對于塑料、橡膠等材料而言，溫度對材料屬性的影響不可忽視。而尼龍這種具有吸水特性的材料，有無水處理對材料性能也有影響，如圖 3 所示[3]。通常跌落測試在室溫下進(jìn)行，故溫度對材料性能的影響在跌落測試中影響不大。

 

 

(a) PA6 GF30 無水處理 (b) PA6 GF30 有水處理

圖 3 PA6 GF30 在不同溫度下/有無水處理的材料特性曲線

 

1.2.3 應(yīng)變率

跌落測試中，沖擊過程是高速并瞬態(tài)的，應(yīng)變率相關(guān)的材料（如尼龍加玻纖）會展現(xiàn)出不同的材料屬性，普通的準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線已經(jīng)不足以反應(yīng)該特性，需要做高速試驗(yàn)，國內(nèi)外這方面的研究工作已經(jīng)很多[4]。圖 4 展現(xiàn)了材料在不同應(yīng)變率下的特性曲線。

 

 

圖 4 PP+40%玻纖在不同應(yīng)變率下的特性曲線

 

1.2.4 玻纖方向

對于尼龍加玻纖的材料，因?yàn)椴＠w方向的不確定性和隨機(jī)性，材料表現(xiàn)出很強(qiáng)的各向異性特性，玻纖方向?qū)Σ牧系男阅苡幸欢ǖ挠绊?，如圖 5 所示[5]?？梢栽谶M(jìn)行有限元分析之前，通過相關(guān)軟件確定材料的玻纖方向排布，隨后對材料屬性進(jìn)行映射，以此獲得更精準(zhǔn)的仿真精度。

 

 

圖 5 玻纖方向?qū)Σ牧闲阅艿挠绊?/span>

 

本文所用的材料屬性考慮了以上幾個(gè)方面的因素，仿真結(jié)果精度能夠得到保障。

 

1.3 初始條件的設(shè)定

在保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上，盡可能節(jié)省計(jì)算時(shí)間，可將實(shí)際的自由落體運(yùn)動轉(zhuǎn)換為施加初速度碰觸地面，這樣可以極大地縮短ABAQUS 的計(jì)算時(shí)間。施加在模型上的初速度如公式（4）所得：

 

計(jì)算時(shí)間長度設(shè)定準(zhǔn)則：模型與地面接觸碰撞之后要彈起來。

 

1.4 質(zhì)量縮放

 在跌落仿真中，很多時(shí)候，許多復(fù)雜的模型包含了一些尺寸很小的單元，這些單元因?yàn)閹缀蔚南拗撇荒茉俦粌?yōu)化，而正是這些單元決定了仿真計(jì)算中的穩(wěn)態(tài)時(shí)間增量步，使顯式動態(tài)分析采用很小的時(shí)間增量。穩(wěn)定時(shí)間增量可用公式（5）表達(dá)：

 

 

 

式中， e L 為特征單元長度，mm； d c 為材料的膨脹波速，mm/s； E 為材料的彈性模量，Mpa；r 為材料的密度，tonne/mm3。

 

為提高計(jì)算效率，ABAQUS/Explicit 常采用質(zhì)量縮放的方法。對真正的動態(tài)問題，只能對少數(shù)單元進(jìn)行質(zhì)量縮放，并且不允許明顯地增加整個(gè)模型的質(zhì)量，否則會降低動態(tài)結(jié)果的精度。因此在整個(gè)分析過程中僅對單元穩(wěn)態(tài)時(shí)間增量低于給定值的單元進(jìn)行質(zhì)量縮放，只增加控制單元的質(zhì)量意味著可顯著提高穩(wěn)態(tài)時(shí)間增量，并且對整個(gè)模型的影響可以忽略不計(jì)。

 

2 結(jié)果和分析

手持式電動工具在跌落過程中，主要關(guān)心的是零件強(qiáng)度是否足夠，下面就某款手持式電動工具中底板在某跌落角度的 2m 跌落結(jié)果進(jìn)行分析。

 

初始設(shè)計(jì)跌落結(jié)果和改進(jìn)設(shè)計(jì)跌落結(jié)果見圖 6(a)-6(b)，改進(jìn)設(shè)計(jì)零件 2m 跌落后結(jié)果見圖 6(c)。

 

 

(a) 初始設(shè)計(jì) (b) 改進(jìn)設(shè)計(jì) (c) 改進(jìn)設(shè)計(jì)零件

圖 6 底板 2m 跌落仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果

 

仿真結(jié)果顯示，初始設(shè)計(jì)中，底板部分區(qū)域應(yīng)變超過底板材料的失效應(yīng)變，以灰色顯示。該底板的設(shè)計(jì)有進(jìn)一步改進(jìn)的必要。改進(jìn)設(shè)計(jì)后，底板強(qiáng)度得到有效提高，應(yīng)變值低于材料的失效應(yīng)變。

 

對改進(jìn)設(shè)計(jì)后的零件進(jìn)行加工并進(jìn)行跌落測試，試驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)可以通過2m 跌落試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合。

 

結(jié)論

跌落仿真可以應(yīng)用于手持式電動工具或其他產(chǎn)品等的跌落測試試驗(yàn)中，用來預(yù)測產(chǎn)品設(shè)計(jì)中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。本文跌落仿真結(jié)果和跌落測試結(jié)果的對比進(jìn)一步證明了應(yīng)用 ABAQUS/Explicit 進(jìn)行跌落仿真的可行性。但是，影響跌落仿真結(jié)果精度的因素有很多，本文針對幾何簡化，特別是材料特性這塊進(jìn)行了探討。因?yàn)槭殖质诫妱庸ぞ呓Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常采用修正的四面體二次單元，未就單元類型的不同對仿真結(jié)果的影響展開討論。

 

資料來源：達(dá)索官方