基于ANSYS Workbench的鏡頭跌落仿真分析研究

韓春曉，付 蕓

(長春理工大學 光電工程學院，長春 130022)

0 引言

目前在許多發達國家中，傳統的產品跌落沖擊試驗已經逐漸由計算機模擬仿真來完成［1］-［2］。光學鏡頭在生產、運輸以及使用的過程中，不可避免會發生自由跌落沖擊，鏡頭的抗跌落沖擊性能可以通過物理試驗來完成，但由于跌落試驗碰撞時間短，過程復雜不易控制，而且參數測試也很困難，不能完整的展現跌落碰撞過程，因此對于跌落碰撞中受力變形很難得到全面而精確的評定。跌落仿真的出現很好的解決了這一問題。從已有的研究成果得知，其仿真分析得出的結果基本與試驗結果吻合，可以大幅度降低產品的開發成本，縮短研制周期，從而達到占有市場先機的目的。因此，本文針對鏡頭的跌落碰撞進行仿真分析。

1 ANSYS軟件的簡介

ANSYS有限元軟件是一個多用途的有限元法計算機設計程序，可以用來求解結構、電力、流體、電磁場及碰撞等問題［3］。

軟件包含了三個主要部分:前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。

前處理模塊為用戶提供了一個強大的實體建模與網格劃分工具，可以方便地進行構造有限元三維模型;分析計算模塊包括結構分析(線性分析、非線性分析和高度非線性分析)、流體動力學分析、聲場分析、電磁場分析，可模擬多種物理介質的相互作用，具有靈敏度分析及優化分析能力，施加約束，分析求解;后處理模塊可將計算分析結果以曲線、圖表的形式輸出或顯示出來［4］。

2 ANSYS Workbench 軟件的簡介［5］

AWE(ANSYS Workbench Environment)即為ANASYS的仿真協同環境，它避免了將CAD模型導入時，致使部分參數等信息不能成功傳遞的問題，它所提供的與CAD軟件雙向參數鏈接，以及優化設計的無縫集成，使得ANSYS在仿真驅動方面邁上了新的高峰。

在Workbench環境中可以設置計算參數，如設計尺寸、材料等，再提交給底層求解器求解。計算出來的結果返回Workbench程序顯示出來。若用戶對當前設計方案得出的分析數據不滿意，可重新設置參數，然后再求解，直到當前的設計方案符合設計者的要求為止。

4 鏡頭跌落仿真分析

4.1 三維模型的建立

鏡頭的三維幾何模型在Pro/E軟件中繪制完成，導入ANSYS Workbench中，其中幾何模型包括鏡頭，兩塊光學玻璃，模擬地面的一個長方體。如圖1(a)所示。

4.2 設置材料屬性

使用Isotropic Elasticity和Bilinear Kinematic Hardening這兩個模塊輸入三種材料的參數，鏡頭材料選用硬鋁合金［6］，密度為2700kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量為70GPa，屈服強度為380MPa，剪切模量為27GPa;兩塊光學玻璃選用K9玻璃，密度為2.5 g/m3，泊松比為0.208，彈性模量為78GPa，屈服強度為2.3GPa，剪切模量為32.28GPa。地面選用ANSYS自帶材料庫里的混凝土。

4.3 網格劃分

ANSYS Workbench的網格劃分是很智能化的，有多種方法與ANASYS類似。在本文中應用了默認值sizing共劃分成5716個節點、9566個單元。如圖1(b)所示。

圖1(a)、(b)為鏡頭模型圖和有限元網格劃分

4.4 加載條件與后處理

此部分需要設定跌落的時間、高度、角度、重力加速度和方向。在整個模型中要設定的最重要的兩個參數就是跌落高度與跌落角度，跌落高度是反映物體在使用中所遇到的跌落情況，為節省仿真分析計算時間，設定物體距地面2mm，通過給物體一個跌落速度來間接說明物體自由落體的跌落高度，我們給予物體的速度為5m/s，即物體從高度大約1.27m處自由跌落。跌落角度體現的是在現有高度物體跌落時最危險的情況。本文按照鏡頭與地面的夾角為0度、30度、90度的情況分別進行了分析，但由于篇幅的原因，這里只給出鏡頭與地面成角0度的分析結果。以下是碰撞后的應力應變。如圖2所示。

圖2(a)、(b)為等效彈性應變圖和等效應力圖

由圖2可知，鏡頭所受最大等效彈性應變為0.0095291mm，最大等效應力0.74327MPa，所受應力應變較大。因此我們將鏡頭結構進行優化，優化結構后模型以及有限元網格劃分如圖3所示。

圖3(a)、(b)為優化后的模型及有限元網格劃分

優化后的模型網格劃分采用默認值sizing共劃分成5890個節點、10100個單元，加載條件與優化前相同，圖4即為優化后模型的應力應變分布圖。

圖4 (a)、(b)為優化后的等效彈性應變圖及等效應力圖

由圖4可以看出優化后的鏡頭模型所受最大等效彈性應變為0.0058121mm，最大等效應力0.40675MPa，比沒有優化前的模型所受最大等效彈性應變減少了0.0037170mm，最大等效應力減少了0.33652MPa。

5 結語

本文以鏡頭為例表述了有限元跌落沖擊仿真的分析方法，應用AWE模擬了在使用中可能遇到的跌落情況，得到了它的應力應變分布圖，由其得知鏡頭的結構存在缺陷，故我們對其結構進行優化設計，并得到了較為理想的仿真結果。由此可以看出，通過改變結構的外形可以提高零件的剛度。這主要是因為零件的截面抗彎系數隨結構形狀的變化而變化。通過本文的研究也為類似的仿真分析提供了一個結構優化設計的參考方法，真正地實現了CAD軟件與CAE軟件之間的協同設計。

［1］ HoH.A finite elementanalysis of the impact_contact problem of a portable telephone using I_DEAS and ADINA［J］.Computers＆Structures，1995，56(2):397-409.

［2］ Kim JW.Optimum Design of Cellular Phone Using LS-OPT Considering the Phone Drop Test.In:7th International LS-DYNA Users Conference［J］.Michigan.2002，5(14):1-10.

［3］ 宋日恒，張治國.基于ANASYS的筆記本電腦包裝件跌落仿真研究［J］.浙江科技學院學報，2009，21(4):332-335.

［4］ 熊建友，辛勇，揭小平，楊國泰.ANSYS/LS-DYNA在跌落仿真中的應用［J］.計算機輔助工程，2003(2):46-49.

［5］ 熊云星.基于UG和ANASYS-Workbench下的協同仿真技術及實現［J］.浙江工商職業技術學院學報，2007，5(3):60-61.

［6］ 張黎明，申民玉.基于ANSYS/LS-DYNA的殼體構件跌落仿真分析［J］.黑龍江科技信息，2009(28):6-6.