CAE技術(shù)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)仿真中的應(yīng)用

劉丹丹

（浙江眾合科技股份有限公司，杭州 310052）

CAE技術(shù)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)仿真中的應(yīng)用

劉丹丹

（浙江眾合科技股份有限公司，杭州 310052）

利用CAE技術(shù)開發(fā)產(chǎn)品，可以極大地縮短實(shí)驗(yàn)周期，提高企業(yè)研發(fā)能力和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。文章針對(duì)手機(jī)使用中最經(jīng)常發(fā)生的翻轉(zhuǎn)和跌落兩個(gè)動(dòng)作，利用CAE技術(shù)進(jìn)行了動(dòng)作過程的仿真分析，且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了分析結(jié)果的可靠性。文章的方法為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)研發(fā)提供了有益的思路。

手機(jī)；仿真；翻轉(zhuǎn)；跌落

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.154

1 引言

手機(jī)跌落試驗(yàn)是手機(jī)耐撞性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[1]，其研究方法主要有實(shí)物實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真。數(shù)值仿真是一種在計(jì)算機(jī)中對(duì)手機(jī)跌落實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值模擬的方法[2-3]。隨著CAE技術(shù)的快速發(fā)展，許多仿真軟件已可以清晰、準(zhǔn)確地模擬手機(jī)的跌落過程。由于數(shù)值仿真不需要預(yù)先制取物理樣機(jī)，所以在產(chǎn)品開發(fā)階段，利用計(jì)算機(jī)對(duì)手機(jī)的跌落試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，不僅可以及早地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，提高其跌落安全性，更可以節(jié)約開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。

折疊手機(jī)中的FPC(FlexiblePrintedCircuit)，由于受裝配空間的限制及自身的柔軟特性，設(shè)計(jì)者很難直觀地評(píng)估FPC的疲勞特性。為此我們以折疊手機(jī)FPC為例，利用CAE軟件來模擬其工作環(huán)境，對(duì)FPC在手機(jī)翻蓋翻轉(zhuǎn)過程中的變形進(jìn)行模擬，預(yù)測(cè)可能存在的斷裂區(qū)域，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，旨在為設(shè)計(jì)者提供一種直觀、可靠的評(píng)定方法，使設(shè)計(jì)者在FPC的設(shè)計(jì)初期就可以預(yù)估其疲勞特性。

2 CAE技術(shù)在手機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用流程

在以往的手機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，往往是對(duì)手機(jī)樣機(jī)進(jìn)行一系列的測(cè)試，從而對(duì)手機(jī)的結(jié)構(gòu)加以驗(yàn)證，并將發(fā)現(xiàn)的問題反饋給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師，對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，產(chǎn)品質(zhì)量的好壞及對(duì)測(cè)試結(jié)果的響應(yīng)速度往往決定于設(shè)計(jì)工程師的經(jīng)驗(yàn)。基于CAE仿真測(cè)試的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程如圖1所示，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)初期就可利用CAE軟件模擬真實(shí)產(chǎn)品的測(cè)試環(huán)境，若發(fā)現(xiàn)問題，則及時(shí)反饋到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，并通過CAE仿真測(cè)試驗(yàn)證尋找到最優(yōu)解進(jìn)行更改，從而減少修模次數(shù)，加快產(chǎn)品的研發(fā)速度和減少研發(fā)成本。

3 手機(jī)翻轉(zhuǎn)疲勞仿真分析

3.1 物理模型

手機(jī)FPC的裝配模型如圖2所示，F(xiàn)PC的一端焊接在翻蓋PCB上，另一端通過FPC連接器固定在主機(jī)PCB板上。在手機(jī)的翻開過程中，上翻蓋繞轉(zhuǎn)軸從圖1所示的位置開始旋轉(zhuǎn)至與主機(jī)成155度角的位置，F(xiàn)PC則在機(jī)殼所形成的空間內(nèi)做彎折運(yùn)動(dòng)。手機(jī)FPC的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，它是由雙層材料構(gòu)成，而每一層材料又是由PI、膠、銅線復(fù)合而成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖1 基于CAE仿真測(cè)試的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

3.2 CAE軟件的模擬結(jié)果

利用CAE軟件可以很方便地根據(jù)FPC的物理模型，創(chuàng)建FPC的仿真分析模型，F(xiàn)PC的運(yùn)動(dòng)過程可以分為兩個(gè)過程。初始裝配，形狀到折疊手機(jī)處于閉合狀態(tài)時(shí)FPC的形狀，此過程在實(shí)際裝配過程中，主要由人工裝配來實(shí)現(xiàn)，利用CAE軟件可計(jì)算出折疊手機(jī)閉合狀態(tài)下，F(xiàn)PC的變形情況，在初始裝配變形的基礎(chǔ)上，手機(jī)翻蓋部分帶動(dòng)FPC一端繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)至155度位置。

由于用戶在使用折疊手機(jī)過程中經(jīng)常翻折手機(jī)，所以設(shè)計(jì)者更關(guān)心FPC在第二個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中的應(yīng)力應(yīng)變情況，利用CAE軟件的后處理可以很方便地顯示FPC各層各節(jié)點(diǎn)在各時(shí)刻的應(yīng)變及應(yīng)力值，并繪制成相應(yīng)的應(yīng)力云圖便于設(shè)計(jì)者對(duì)其進(jìn)行評(píng)測(cè)。

3.3 與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從CAE軟件分析的結(jié)果來看，第3層與第5層的最大應(yīng)力較大，所以最有可能發(fā)生疲勞斷裂的區(qū)域是第3層銅線層或者第5層PI層。第3層銅線層是各個(gè)獨(dú)立的銅線，所以當(dāng)其破壞時(shí)

具體表癥是某個(gè)單一的銅線斷裂，可以通過測(cè)試FPC的某個(gè)PIN會(huì)出現(xiàn)斷路來加以判斷，而此時(shí)FPC的外部特征可能仍然良好，而第五層PI層斷裂則表現(xiàn)為外部撕裂。為此我們輔助實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)中未出現(xiàn)FPC外部良好而PIN斷路的情況，而是個(gè)別出現(xiàn)了FPC撕裂情況，可以看出FPC主要問題是外部PI撕裂，實(shí)際測(cè)量斷裂區(qū)域的位置距離端部約為9.25mm。

從CAE軟件的分析結(jié)果來看，PI在拉應(yīng)力作用下表現(xiàn)的破壞為撕裂，可能斷裂，其距離端部距離為8.33mm。

Application of CAE Technology in Product Mechanical Simulation

LIUDan-dan
(ZhejiangUnitedTechnologyCORP.Ltd.,Hangzhou310052,China)

Using CAE technology to develop products can greatly shorten the experimental cycle and improve enterprise R&D capabilities and product competitiveness.Inthispaper,weusetheCAEtechnologytosimulateandanalyzeflipandfalltwoactionsofmobile phone,which are themost frequentlyused in mobilephone,andthereliabilityoftheanalysisresultsisverified byexperiments.Thismethod providesuseful ideasfor the research and development ofproduct structure.

mobilephone;simulation;flip;drop

TN929.53

B

1007-9467（2016）07-0244-02

劉丹丹（1980～），女，浙江杭州人，工程師，從事軌道交通AFC設(shè)備開發(fā)與研究，（電子信箱）lddsuccess@sina.com。