基于Creo Simulate的頭戴式耳機頭帶的多目標優化設計

羅華明

摘? 要：隨著市場競爭的發展，人們對頭戴式耳機的性能、可靠性和成本有越來越強的要求。耳機頭帶設計的潛在失效模式和影響分析（FMEA）讓設計師能夠對系統進行定性分析，以便識別關鍵特性。夾緊力不當和頭帶疲勞失效是其中的兩個主要的失效模式。這兩個失效模式是由兩個設計因子主導的：金屬頭帶的厚度和抗拉強度。有限元分析（FEA）用于評估設計響應，即頭帶疲勞壽命和夾緊力。這些響應與優化模塊相結合，呈現出有助于確定最佳金屬帶厚度和抗拉強度的解決方案，同時保持頭帶的性能指標;成本和可靠性。本研究旨在開發能夠整合設計問題的識別、失效模式影響和分析、疲勞失效分析和頭帶設計優化于一體的設計方法學。

關鍵詞：Creo Simulate;FMEA;頭戴耳機;優化設計

中圖分類號：U469? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）36-0022-03

Abstract： With the development of market competition， people have more and more requirements on the performance， reliability and cost of headphones. The potential failure mode and effect analysis （FMEA） of headband design enables designers to conduct qualitative analysis of the system in order to identify key characteristics. Improper clamping force and fatigue failure of headband are the two main failure modes. These two failure modes are dominated by two design factors： thickness and tensile strength of metal headband. Finite element analysis （FEA） is used to evaluate the design response， i.e.， the fatigue life and clamping force of the headband. These responses， combined with the optimization module， present solutions that help determine the optimal strip thickness and tensile strength while maintaining the performance indicators of the headband; cost and reliability. The purpose of this study is to develop a design methodology that integrates design problem identification， FMEA， fatigue failure analysis and headband design optimization.

Keywords： Creo Simulate; FMEA; headset; optimization design

1 概述

為了達到舒適性和聲學性能的目的，頭帶設計應適合盡可能多的用戶的頭型。在頭帶上通過增加可調機構，耳機可以適應更大范圍的頭部大小和形狀。可調節的頭帶也可以拉緊，即使用戶轉動或搖晃等動作也不會使耳機松脫。除了人體工程學的考量，頭帶的可靠性和耐久性始終是設計過程中的關鍵考慮因素。因為用戶頻繁的彎曲和扭曲，頭帶機械故障經常出現。頭帶在這些循環載荷下，在應力集中區由于疲勞而失效。此外，在極端苛刻的條件下，頭帶可能會在大變形下使用，會造成頭帶局部損壞或永久變形。

這篇論文討論了在耳機頭帶的研發中所涉及的設計方法。為了優化設計，必須綜合考慮系統的性能、質量和可靠性與成本效益。本研究中使用的設計方法包括：問題識別的失效模式及影響分析（FMEA），用于夾持力和疲勞壽命估算的有限元分析（FEA）以及多目標的設計優化。

2 失效模式及影響分析（FMEA）

失效模式及影響分析（FMEA）是一種降低風險的設計工具，以風險優先度（RPN）衡量。RPN是發生率、 嚴重性和識別難度的乘積[1]。即風險優先度：RPN（risk priority number）=（S）x（O）x（D）。

其中，S是指潛在故障模式發生時，對下工序、子系統、系統或顧客影響后果的嚴重程度的評價指標，僅使用于故障的后果，要減少故障后果的嚴重度級別，只能通過修改設計來實現。一般分為災難的、致命的、臨界的、輕度的等幾個等級，取值在1～10之間;O是指某一特定故障起因或機理出現的可能性。描述頻度級別數著重在其含義而不是具體的數。一般可分為極高、高、中等、低等幾個等級，取值在1～10之間;D是指發現故障原因的難易性，或指在故障發生后，流入顧客前被發現的難易性，是探測故障模式/原因/機理的能力的指標，一般分為極難、難、可能、能等幾個等級，取值在1～10之間[2]。

根據FMEA調查分析，耳機具有兩個最高風險優先級的故障模式，分別為“頭帶疲勞”，RPN為192;“頭帶夾緊力不當”RPN為180。導致最高風險，需要緊急行動重新設計頭帶降低這些項目的RPN。

與“頭帶疲勞”和“不正確的頭帶夾緊力”相關的風險可通過降低嚴重性、降低發生概率，或增加被發現的概率來降低。例如，增加金屬的抗拉強度，金屬帶的厚度可以立即提高疲勞壽命。這會大大降低頭帶疲勞發生的概率，但嚴重影響重量。超重量成為新設計方案的一個失效模式。因此，應將重量加在設計參數中，與解決頭帶疲勞問題的頭帶材料和幾何形狀一樣。通過多目標函數將重量納入設計過程。

3 有限元分析（FEA）

利用Creo Parametric 4.0 M020進行金屬頭帶的三維建模，使用其集成的Simulate模塊進行有限元分析，計算頭帶夾緊力，及預測疲勞壽命。

3.1 有限元模型

模擬模型顯示，厚度0.7mm，寬度8mm。考慮到對稱性，整個系統只有一半被建模。有限單元網格劃分，模型由9034個四面體組成。

3.2 有限元材料特性

金屬帶材料選用不銹鋼（SUS）301。不銹鋼301室溫條件下具有奧氏體結構。耐腐蝕，外觀絢麗。相比SUS304的成本而言，SUS301相對便宜。SUS301具有很高的延展性和可成形性，并且高韌性。SUS301的配方允許通過回火軋制將組織部分轉變為馬氏體，從而產生高強度等級。一小部分馬氏體與奧氏體基體緊密混合，提供高強度和良好的延展性。SUS301有一系列不同的回火體，每種回火體有更大的強度。這些回火體可以通過增加不銹鋼廠加工過程中的減少冷軋壓量來實現。冷軋不變，鋼不用加熱到退火溫度（超過600℃），強度會增加。

SUS301物理性能如下：密度：7.83×10-9tonne/mm3，泊松比：0.3，楊氏模量：2.1×105MPa，屈服強度：965MPa，極限強度：1276MPa。

3.3 邊界條件

邊界條件設置如下：固定端位于中間表面“A”上，約束X，Y，Z方向的平移自由度，在自由端“B”位置施加的外部位移荷載沿X方向向外15mm。通過施加邊界條件位移;反作用力將在相同的位置獲得，這將代表頭帶夾緊力。

3.4 結構分析結果

在“分析和研究”菜單中，建立“靜態分析”，并查看分析結果。

3.4.1 位移

最大位移處位于B端面，X方向為15mm， Y方向為12.87mm， Z方向為0mm，合計最大位移為19.77mm。

3.4.2 應力

最大應力處位于A斷面，等效最大應力為382.7MPa。

3.4.3 夾持力

夾持力與支方力大小相等，為3.97N。

3.5 疲勞分析

3.5.1 疲勞分析定義

對于疲勞壽命分析，在15mm位移荷載作用下的邊界條件。頭帶是采用1H硬冷軋不銹鋼制成（抗拉強度1276MPa）。頭帶的最小疲勞循環要求已確定為10000周期。

3.5.2 分析的結果

模型破壞前的預估周期數。出于疲勞的指數性質的原因，將壽命表示為對數很有用[3]。本實例中，最大應力壽命為1e4.271（=18663）次循環。如圖1所示。

4 優化設計

4.1 選擇設計變量

根據初步分析，選擇金屬頭帶的厚度和不同的不銹鋼硬度作為設計變量進行靈敏度分析。

4.2 靈敏度分析的設置

在“分析和研究”菜單中，建立“靈敏度設計研究”。將金屬頭帶的厚度選為變量，設置開始和終止值分別為0.6mm和0.8mm。

4.3 靈敏度分析結果

厚度與夾持力、重量、最大等效應力成正相關，與疲勞壽命成負相關。

4.4 優化設計分析

為了選擇最佳的金屬頭條厚度和抗拉強度范圍，選擇不同的組合進行分析。金屬帶的厚度范圍為0.6mm、0.65mm、0.7mm、0.75mm和0.8mm。抗拉強度選擇不同的加工硬化條件下，硬度為1/4H～1H，對應不同的抗拉強度[4]。如表1所示。

在頭帶設計中，表面響應是通過分析金屬的疲勞壽命、夾緊力和重量來構建的。夾緊力和疲勞壽命可在早期設計階段通過有限元分析得到。結果如表1所示。在本研究中，夾持力的權重系數確定為0.2，疲勞壽命為0.4，成本為0.4。這些權重因子之和變為1。

通過將所需夾緊力設置為4.0N，加權系數為0.2，頭帶的最大循環的疲勞壽命的權重為0.4，而最佳頭帶設計的最小重量加權為0.4。這些優化設計變量厚度為0.65mm，抗拉強度為1207MPa的組合可獲得最佳的輸出響應值。夾緊力為3.2N，疲勞壽命為106.077（1193988）次，重量為4.169克。

5 結論

頭帶設計的FMEA是以識別系統的潛在失效模式、原因和影響為目的，對系統進行結構化，量化分析。兩個高風險失效模式是夾緊力不當和頭帶疲勞失效。兩個失效模式由兩個設計因素主導，分別是金屬帶厚度和抗拉強度。有限元分析（FEA）用于預測設計響應，這些響應是頭帶疲勞壽命和夾緊力。

根據有限元分析結果和重量分析數據，頭帶設計（金屬頭帶厚度和拉伸強度）使用多目標函數進行優化。作為一個優化結果表明，0.65mm厚，1207MPa的抗拉強度的金屬帶被證明是最佳設計。設計方法流程非常適合頭帶開發行業，尤其是在早期設計階段應用時。這種分析確保了設計的完整性和最佳性能的實現，高效且低成本。

參考文獻：

[1]奚立峰，徐剛.FMEA在過程管理中的應用[J].工業工程與管理，2002（01）：37-39.

[2]戴云徽，韓之俊，朱海榮.故障模式及影響分析（FMEA）研究進展[J].中國質量，2007（10）：23-26.

[3]李強.基于Creo Simulate的后軸頭疲勞壽命分析及結構改進研究[J].機械設計與制造工程，2018，47（11）：105-108.

[4]陳慶雷.SUS301L奧氏體不銹鋼激光焊接頭組織與力學性能的研究[D].吉林大學，2012.