ABAQUS仿真軟件在帶觸摸振動結構的產品中的應用

[摘要]通過運用ABAQUS仿真軟件，對汽車空調控制面板的觸摸振感進行驗證，用于指導電磁鐵的選型及輸入信號的設置。同時，對控制面板A面整體的振感一致性進行校核、驗證。結果表明：電磁鐵作為振動的輸入源，其工作時磁隙區間的選擇、脈沖電流的輸入，會直接影響實際推力的輸出；并且在對仿真結果與實測結果對比后，可基本肯定ABAQUS軟件動力學仿真的精度，及其在觸摸振動結構設計過程中應用的必要性。

[關鍵詞]ABAQUS；電磁鐵；觸摸振感；振動一致性

中圖分類號：U463.6文獻標志碼：A文章編號：1003-8639（2023）

Application of ABAQUS simulation software in products with touch vibration structure

Fang Jianzhong1，Chen Jie1，Han Houji1，Liu Guocheng1

（Zhejiang Changjiang Automobile Electronic System Co.，Ltd.， Wenzhou 325000， China）

[Abstract] By using ABAQUS simulation software， the touch vibration of automobile air conditioning control panel is verified， which is used to guide the selection of electromagnet and the setting of input signal. At the same time， check and verify the vibration consistency of the whole A side of the control panel. The results show that as the vibration input source， the choice of magnetic gap interval and pulse current input will directly affect the actual thrust output. After comparing the simulation results with the measured results， the accuracy of dynamic simulation of ABAQUS software and the necessity of its application in the design process of touch vibration structure can be basically confirmed.

[Key words] ABAQUS; Electromagnet; Touch vibration; Vibration consistency

收稿日期：2023-03-10

隨著汽車工業的發展，汽車內飾產品的設計理念已經由實現功能轉變為了體驗、感覺、科技等新名詞。控制面板占據著汽車中控區域大部分空間，所以其產品的各方面指標尤其嚴苛。隨著觸摸屏在汽車內飾中的普及，車載觸摸面板已經逐步替代傳統的機械開關結構。而觸摸面板的振感反饋功能作為其核心技術，直接影響著用戶的體驗。

觸摸面板的信號處理技術及原理與手機等消費電子類似[1]，但由于其尺寸遠大于手機，所以其振源的輸出功率要比手機大，且其面板上各個位置的觸感也會因產品尺寸及剛度分布而受到影響。

本文通過對電磁鐵的選型設計，并通過ABAQUS有限元軟件，對某車型空調面板的觸摸振動結構觸感一致性進行仿真分析，最終經實際測試，以提供電磁鐵選型設計的方法，及驗證有限元仿真軟件在此類產品中的應用必要性。

空調面板結構及各部分功能

此空調面板如圖1、圖2所示，主要分上下兩部分，上半部分由LENS及其組件、鐵支架組成，下半部分由電磁鐵、后蓋、PCB及發光組件等組成，上下部分由金屬彈片連接。裝車時下半部分固定到整車骨架上，上半部分實現自由振動。

LENS組件用于觸摸及信號識別；鐵支架用于結構整體增強及承受電磁鐵沖擊載荷；電磁鐵提供振動激勵源；金屬彈片作為上下兩部分結構的支撐； PCB組件及殼體用于信號處理及內部結構保護。其中電磁鐵作為激勵源，決定著振動產生的手感類型。

電磁鐵的選型設計

根據振動要求（LENS工作行程0.15mm±0.05mm）及產品品質，大概預估電磁鐵推力[3]及行程需求，進而初步選擇磁鐵型號。

磁鐵電磁吸力計算：

（1）

式中： ——通過鐵芯極化面的磁通量，Max；S——鐵芯極化面面積，cm^2； ——未吸合時銜鐵和鐵芯的氣隙長度，cm； ——修正系數，一般在3～4之間。

在式（1）中磁通量為：

（2）

式中： ——線包的安匝值； ——工作磁通的磁導，H。

在式（2）中工作磁通的磁導為：

（3）

式中： ——銜鐵旋轉位置到鐵芯中心的長度，cm； ——空氣中的磁導率，數值為 （H·cm-1）； ——極化面的半徑，cm。

根據設計參數，經計算初步選定電磁鐵參數如表1所示，電磁鐵磁隙與推力關系曲線如圖3所示。

設計電磁鐵輸入脈沖電流持續時間為6.5ms，由于電磁鐵磁性材料影響[4]，無法使電磁鐵瞬間達到磁飽和狀態，所以電磁鐵實際輸出推力要小于標定值，且實際推力輸出曲線并非嚴格的脈沖曲線，如圖4所示。

3 "仿真與實驗驗證

使用ABAQUS建立有限元模型[6-7]，各零件材料及參數見表2。

施加邊界條件為：約束彈片與面板下半部分連接的螺釘孔移動自由度；各零件間螺釘孔位置采用剛體耦合連接。

分析過程分兩步進行，第1步計算整體模態，第2步對觸發臂施加沖擊載荷，并進行受迫振動分析。沖擊載荷持續6.5ms，最大值為5N。

分別采集LENS上如圖5所示中4個區域的X向加速度結果。

產品的前三階模態計算結果如圖6所示，一階模態滿足大于75Hz的要求。6.5ms時，LENS的X向加速度仿真結果如圖7所示，各區域X向加速度曲線如圖8所示。

使用振動測量儀，測試樣件LENS上規定各區域的加速度曲線，測量儀器如圖9所示。

測試時，傳感器貼合面貼于被測區域，傳感器的X、Y、Z方向必須與產品對正，以免產生過大誤差。測試過程如圖10所示（僅列出中下區域測試方法），各區域加速度測試結果如圖11所示，各點加速度仿真結果與實測結果見表3。

從仿真與實測的結果看，仿真誤差最大3.5%，基本滿足精度要求[8]。

以實測結果為準，計算面板4點加速的平均值及最大偏差。

平均值=（∑?各點值）/4（11）

最大偏差=（MAX（|最大值或最小值-平均值|））/平均值 "（12）

按照客戶要求：4個區域平均加速度為25（m·s-2）±5（m·s-2），加速度最大偏差不得高于5%。如表4所示，可以判斷設計方案滿足上述要求。

結論

通過仿真分析與實測驗證，可得到如下結論。

1）電磁鐵作為振動發生源，其推力值受內部磁隙影響大，選取時通常根據面板結構的尺寸公差，選取推力值相對變化較小的磁隙區間作為工作段，以免引起異常振型。

2）通常為電磁鐵提供的脈沖電流持續時間較短，此時電磁鐵無法到達磁飽和狀態，所以其輸出推力值要小于實際標定值，且推力輸出曲線也非脈沖形式，實際推力需以實際測量為準。

3）對于觸摸振動結構，對其進行有限元仿真能夠有效減少樣件的制作成本及縮短產品開發周期。同時也證明了ABAQUS軟件對此類產品仿真結果的可靠性。

參考文獻：

王碩. 淺析觸摸屏手機系統中的觸覺反饋設計[J]. 貴陽學院學報（自然科學版），2012，7（1）：30-33.

梅亮，劉景林，付朝陽. 電磁鐵吸力計算及仿真分析研究[J]. 微電機，2012，45（6）：6-9.

吳倩，李建，蘇秀蘋. 一種螺管式電磁鐵的靜態特性及其影響因素分析[J]. 電器與能效管理技術，2017（1）：8-12.

曹金鳳，石亦平. ABAQUS有限元分析常見問題解答[M]. 北京：機械工業出版社，2009.

莊茁，張帆，岑松. ABAQUS非線性有限元分析與實例[M]. 北京：科學出版社，2005.

李明. 工程仿真精度可信的CAD模型簡化[J]. "計算機輔助設計與圖形學學報，2015，27（8）：1363-1375.

（編輯 "楊 "景）