1、本科毕业论文（20 届）跌落方式对产品结构设计的影响分析所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科生毕业论文I摘要为了能使自己的产品符合国家标准，生产厂家一般情况下都要对产品实物进行自由跌落试验。实物试验的缺点是：验后结论，即只有在试验完成后才知道设计是否有缺陷，而此时修改设计花费的时间和费用较高，不利于产品快速推向市场。此外实验作用时间很短，不易控制，而测得的物理量也很有限，无法获得空间和时间上的连续结果，不能完整显现跌落过程的结构响应和结构振动变形机理。在近年来，碰撞模拟技术发展非常迅速，有限元技术的应用使类似碰撞的结构分析更准确、更直
2、观。有限元模型可以建立局部结构的力学分析模型，它能真实地描述结构的应力与变形。本文介绍了有限元的相关知识、LS-DYNA 软件的相关知识、本课题的主要研究内容以及课题意义等。本文以塑料盒为研究对象，利用 SOLIDWORKS 软件对塑料盒进行实体建模。通过大型商用有限元软件件 LS-DYNA 的接口将实体模型导入 LS-DYNA 中进行参数设置（单元类型、材料属性、接触类型等） 、网格划分等生成有限元模型。通过对塑料盒不同跌落方向的仿真模拟获得塑料盒跌落时的响应特性，我们可以利用这些数据找出塑料盒受到最大应力的位置。关键词：跌落仿真模拟；塑料盒；有限元模型本科生毕业论文IIABSTRACTIn
3、 order to make their products adapt to national standards, the manufacturer of the product should be kind of free drop test under normal circumstances. The disadvantage of the physical test is aware of the conclusion after testing. That only after the completion of the test to know whether the desig
4、n defects, and then modify the design time and cost spent on high, is not conducive to product to market quickly. Moreover the experiment is uneasily controlled, and physical quantities which are measured are limited, and it is difficult to display the response and vibration deformation mechanism of
5、 the structure during the dropping process. In recent years, crash simulation technology developed rapidly, the application of finite element structural analysis to make the similar impact more accurate and more intuitive. Finite element model can be established mechanical model of local structure；i
6、t can accurately describe the stress and deformation of the structure. The article introduces interrelated concept about finite knowledge , interrelated knowledge about LS-DYNA and research contents、meaning and so on about the research project.In this article, plastic box is taken as the research ob
7、ject. The model of the shell of flip phone was set up using SOLIDWORKS software. Through the specialized connector between SOLIDWORKS and big commercial finite element software LS-DYNA, the entity model was leaded to LS-DYNA and set parameter (element type, material property, contact type and so on)
8、, then meshed the entity model to product finite element model. The response character of the Plastic box is analyzed by using different drop orientation simulation. We can use the date to identify plastic box by the location of maximum stress.Keyword：drop simulation；plastic box；finite element model
9、本科生毕业论文III目 录第 1 章 绪论 .11.1 国内外研究现状 .11.2 研究的意义 .21.3 本文研究的主要内容 .4第 2 章 有限元法基础 .52.1 有限元法简介 .52.2ANSYS 简介 .62.3LS-DYNA 简介 .10第 3 章 建造模型及其前处理 .113.1 建模方法的选择 .113.2 建模的基本原则 .113.3 塑料盒模型的建立 .113.3.1 塑料盒实体模型的建立 .113.3.2 塑料盒有限元模型 .123.4 定义约束、施加载荷和其它设置 .153.5 跌落分析基本参数设置 .15第 4 章 后处理及仿真结果分析 .17小结 .21致谢 .22
10、参考文献 .23附录 .24本科生毕业论文1第 1 章 绪论碰撞问题是在经济建设和生产实际生活中经常大量遇到的问题。凡是有形的物质产品，如当今盛行的手机，便携式电脑，电子字典和一些其它的电子器件等等从投产开始，直到产品完全报废，总是在不经意时与它外界的物品发生碰撞，这是不可避免的。所以，许多产品在设计过程中都会考虑产品在未来发生碰撞后会发生什么样的后果，还能不能继续使用，如果不能使用时，那么它的损伤程度到底有多大？即有一个可靠性的问题。但是，以前的试验几乎都是对产品样机进行实物试验，实验作用时间很短，不易控制，而测得的物理量也很有限，无法获得空间和时间上的连续结果，不能完整显现跌落过程的结构响
11、应和结构振动变形机理。此外，实物试验所带来的结果是增加成本，延长产品生产周期，适应不了当今科技发展的步伐，更失去占领市场的先机。随着计算机技术飞速发展，有限元技术广泛应用到产品及外包装抗跌落性能的研究中 1 。1.1 国内外研究现状近年为了提高产品在意外跌落时的可靠性，许多研究者对产品及包装盒的抗冲击性能进行了研究。在西方发达国家，利用计算机仿真模拟很早以前就被广泛用于工业生产。在早期的研究中，其研究人员已经对电视机、烤箱、收音机等电子产品进行了跌落模拟，并得到了一些数据和结论。现阶段他们利用有限元软件进行跌落模拟的目的主要是研究模拟过程中的一些技术问题和细节问题，这也是我们在模拟过程中经常遇
12、到的问题，这也代表着仿真模拟研究的一个发展方向。K.H.Low 用 MSC.Parran 软件来模拟带有缓冲包装的电视机的自由跌落过程，并提出 GL分析方法，且基于 HERTZ 的理论对整个模型进行了优化设计 2 ；Liu et al 用 LS-DYNA 软件模拟包装物品的跌落，并且得到了峰值加速度 3 。新加坡的 Y.Y.Wang，C.Lu 等人研究了跌落模拟的可靠性，通过对电视机、外套、组装设备等进行有效的建模和选择正确的仿真方法的实例，说明了应用有限元法的虚拟产品开发，并评价了模拟对研究跌落的重要意义 4。Jason Wu，GuoShuSong 等人利用有限元方法研究了便携式通信设备遭受
13、撞击的情况，并用HYPERMESH 和 LSDYNA 对摩托罗拉的产品进行模拟仿真试验，得到了其容易损伤的原因和易发生损坏的部位 5。通过跌落试验和模拟的对比分析，用测试的数据加以说明，证实了仿真和测试技术应用的可靠性和对设计支持具有重大意义。国外还有很多人研究包装缓冲材料，例如纸浆、泡沫等的材料性能。Gary Burgess 研究了美国一种泡沫包装产品 Convoluted foam 的缓冲特性。在用缓冲曲线估算跌落到 Convoluted foam 上的峰值加速度的技术要对应一个泡沫信息。而屈曲应力可以用来预测的G16。John Hoffmann 研究了纸浆模塑包装的抗压和缓冲性能，通过试
14、验展示了如何实现轴对称几何，例如:气罐及锥形，比方形或矩形更能深切的了解静态和动态强度。截锥形比矩形或方形的几何形状有高出近 20%的更好的压缩强度。由截锥获得的 G 曲线比代表方形或矩形的 G 曲线更广泛更开放一更广泛的 G 曲线会有更大的设计空间和较好的设计成功率。同时，对某一给定的 G 值也可实现用较少的材料。并得出不同几何形状纸浆模塑包装的动态特性:圆柱状，圆锥状和大圆度的产品比方形或矩形有小圆度的产品有更好的抗压强度。这就可以让使用纸浆模塑包装的人根据产品的重量、跌落高度和堆码高度等，设计出合适的模塑纸浆本科生毕业论文2包装 7。这种针对缓冲材料性能的基础研究也给我们一个新的启示:我
15、们可以通过加强对缓冲材料的性能研究，进而实现消耗最少的包装及缓冲材料实现其最大限度的保护产品的作用，充分的节约和利用资源，这样既可以减少企业的生产成本，也可以减轻社会的环境负担。由于历史和经济原因，我国仿真模拟的起步和研究都比较晚，但是发展势头比较迅速。国内很多研究人员使用了 ANSYS 等有限元软件，对一些比较有实际意义的产品进行了模拟研究和理论研究，取得了很好的结果。江南大学的华丽和钱静对洗衣机运输包装件的进行了跌落仿真分析，他们利用ANSYS/LS-DYNA 软件对洗衣机运输包装件进行跌落仿真试验，获得平跌落情况下洗衣机运输包装件的应力、应变的变化规律，为洗衣机运输包装结构强度理论的探讨
16、和结构的优化设计提供了指导 8。浙江大学王春霖等人应用 ANSYS 有限元软件对玻璃啤酒瓶的跌落进行了仿真研究。获得了贮酒情况下和空瓶情况下的跌落以及斜跌落情况下的应力分布情况。根据空瓶和贮酒状态下的跌落冲击应力，得到了啤酒瓶在典型跌落状况下的应力场及其应力时间规律曲线。论文中首次定义了量化描述液体在冲击运动中对容器应力倍增作用的系数，揭示了液态商品对容器应力影响的若干规律 9。此外，也有不少研究者运用了不同的有限元软件对手机进行了跌落模拟试验，但其各自偏重的研究方向不同。华南理工大学汤立群、孙晖、何庭蕙等人对跌落条件下手机的冲击动力学分析和结构优化设计进行了研究，通过对手机跌落模拟试验观察手
17、机上、下面板的脱开情况，并测得手机的跌落速度、回弹速度和冲击时间，结合理论分析证明了数值分析的合理性和可靠性，并利用数值分析解释了跌落过程中手机在特定位置脱开的原因，以上分析表明手机部分设计存在不合理性 10。同济大学和 UT 斯达康进行了手机的实体分析，他们基于 IDEAS 软件系统，采用了针对此类复杂结构的离散化方法分区法，成功地行了手机装配体有限元网络划分，给出手机的几个关键部位的最大应力及其相应的冲击方向 11。摩托罗拉(中国)电子有限公司的姬立明利用 ABAQUS 甩 Explicit 模拟解决 E680 手机顶部卡钩脱开问题。东南大学祖景平，薛澄岐运用 MSC.PATRAN/DYT
18、R-AN 软件就手机自由跌落试验仿真分析过程中加强筋厚度对手机壳体强度和刚度的影响进行了模拟仿真，并对计算数据对比和分析，得出加强筋厚度设计的通用参考数据 12 。此外，俞璐，薛澄岐，祖景平等人还利用 Hyper Mesh/LSDYNA 有限元软件进行了手机电池盖跌落的仿真分析，他们主要是观察和研究了跌落时手机盖是否与主体发生脱落等问题 13 。上述运用各种有限元软件对运输包装件进行跌落仿真分析，对产品结构进行的评估都得到了很好的结果，也为本论文中我们进行的塑料盒的模拟仿真提供了很大的指导。 1.2 研究的意义频繁的贸易让商品流通成为经济活动中重要的组成部分，它以生产地为起点，以消费者或用户为
19、终点。广义上讲，商品流通包括了商品及其包装的运输、中转、装卸、仓贮、陈列、销售等环节，其中装卸搬运环节、运输环节、贮存环节是商品及包装在流通过程中的三个基本环节。在流通运输过程中，商品必然要经受一些外部因素的影响，甚至在消费者的使用过程中也可能会因某些原因而不慎发生跌落/碰撞冲击，这种剧烈的冲击会使电子产品的运动状态在极短的时间内发生急剧的变化，这可能会造成产品因受到的冲击而发生损坏。对于易损、本科生毕业论文3高精度的机电产品、电子、电工产品等，如果对其包装不善，就会导致流通过程中因为这种冲击出现很高的破损率，这会给生产企业和个人消费者造成很大的经济损失。在各种冲击环境中跌落冲击最为强烈，由于
20、跌落冲击引发的损害是产品在运输、使用过程中遭受的最主要的失效形式。为了方便装卸、运输和储存，也为了产品受冲击时避免其降低或者是丧失它的使用价值，这就需要我们对产品受到冲击后的反应进行研究，并通过对其进行合理的包装，最大限度的保证产品的安全，保护产品、方便储运、促进销售是包装的三大功能，而其最主要的就是保护产品不受损害。在产品设计过程中，我们都会考虑产品在跌落冲击下会产生什么样的后果:产品还能不能继续正常使用，如果不能继续使用，那么跌落冲击对产品的损伤程度到底是多大等等。经过研究，我们可以将造成产品的破损现象归纳为以下三类：1)结构完整性破坏，包括产品零部件的强度降低、断裂破坏、疲劳和摩擦损伤等
21、；2)结构功能性破坏，包括结构及其元件、部件的性能失效、失灵等；3)产品工艺性破坏，包括联接件松动、脱离，部件相互撞击、短路或磁化等，还有寿命退化，即某些机电产品、电子电工产品在一定振动环境下引起工作寿命的缩短等。由于产品的各部件承受载荷的能力一般都是有限的，因此能否经受冲击载荷对于设计一个成功的产品来说是十分关键的 14 。产品抗跌落冲击的性能情况以往通常都是通过物理实验来获得的。尽管跌落试验测试作为一种直观可靠的研究方法得到了广泛的使用，但是对手机一类的便携式电子产品而言，这种研究方法有其不可逾越的局限性，这主要表现在:l)无论对产品设计进行多么细致的改动，必须等到原型生产出来才能进一步的
22、实验，这使得测试过程既耗时又费钱；2)实验的到的冲击响应信息非常有限，只能获得贴有传感器的部分的信息，而在动态测试环境下只能使用应变片、加速计等少数几种传感器，何况在一些敏感的地方如焊点，由于尺寸制约不能帖传感器；3)由于传感器本身具有一定的质量，会对测试结果有影响。其中最主要的是跌落冲击的作用时间非常短般只有几微秒，实验操作也不易控制，而测量到的物理量也非常有限，也无法获得空间、时间上的连续结果，不能完整的体现跌落时结构响应过程和结构振动变形机理，因此产品的此类物理实验现在仅仅被用于评判产品能否通过行业规定的标准 15 。随着计算机硬件和软件技术的发展及应用，涌现出很多仿真软件用来模拟生产、
23、生活中遇到的这些实际问题。跌落仿真模拟能够让我们很详细的了解物理实验中存在的那些不足之处。在产品设计阶段进行模拟分析，可以直观动态的演示整个跌落过程以及各种物理量的变化(如应力、应变等)，其分析的结果可以对设计方案的修改提供指导，以使产品在生产出来之前就能达到承受一定跌落冲击的要求。此外模拟试验也可以得到比物理实验更加准确、更加可靠的数值数据。采用跌落仿真试验我们可以做到以下几点：l)事先预测包装件的设计是否存在设计缺陷，如果有缺陷可以在生产样品之间及时进行修改，这样可以缩短开发的循环过程，加速产品开发过程；2)可以得到详细的实验报告，提供量化分析报告，指明缺陷的部位及产生的原因，为设计人员提
24、供修改设计依据，逐步完善设计，提高了设计质量；3)仿真试验费用低，时间短，建模时间相对于制造样品大大缩短，而且开发的经验也可本科生毕业论文4以成为新的技术，在以后的设计中可以避免走弯路并能加快开发速度，提高产品质量；4)跌落仿真试验可以提供重复结果和模型上任意点的信息(应力、应变、加速度等等)，而且在设计过程中，可以对任意阶段都可以进行模拟。由于产品成本的 80%以上是由设计决定的，因此采用跌落试验仿真能有效地发现和改进设计缺陷。通过模拟得到的数据，我们可以对模型进行反复的修改，并结合不同工艺参数，找到适当的工艺流程，设计出合理的产品结构及其包装，以适应当今科技发展的步伐，起到省时、省钱和提高
25、设计质量的作用，从而最终降低产品的研发成本，加快产品的上市速度，迅速占领市场。1.3 本文研究的主要内容本文采用有限元软件对塑料盒/包装盒进行不同跌落方式的计算机仿真，可以得到我们关注的参数，如结构整体应力变形，结合不同工艺参数，找到适当的工艺过程，这样不但使产品抗跌落、耐冲击的能力得到提高，而且还弥补了实物试验的不足。在仿真模拟试验中，我着重了解和研究了 LS-DYNA 的前处理时单元类型的选择、网格的划分以及接触的设置等对跌落模拟试验的影响情况。并在试验中，找出随塑料盒受到跌落冲击时的薄弱或易损位置。本科生毕业论文5第 2 章 有限元法基础2.1 有限元法简介跌落冲击问题因其很强的非线性而
26、难于求解。为了解决跌落冲击现象的求解问题，我们引入了被认为是解决该类问题的最有效方法一一有限元法。有限元法是在当今工程分析中获得最广泛应用的数值计算方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视。其作为工程分析的有效方法，在理论与方法的研究、计算机程序的开发以及应用领域的开拓等各方面均取得了根本性的发展。伴随着计算机科学与技术的快速发展，有限元法现己成为计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)的重要组成部分。大型通用有限元软件LS-DYNA 以其强大的分析功能提高了使用者的工作效率，成为各领域进行科学研究、工程设计的有力工具。本文就是采用了 LS-DYNA 对塑料盒/包装盒的
27、跌落进行了有限元模拟分析。有限元法(Finite Element Method)，是用于求解复杂工程和产品的结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维形体接触、弹塑性等力学性能的分析计算，以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。有限元法从 60 年代初开始在工程上应用到今天.己经历了四十多年的发展历史，其理论和算法都经历了从蓬勃发展到日趋成熟的过程，现已成为工程和产品结构分析中（如航空、航天、机械、土木结构等领域）必不可少的数值计算工具，同时也是分析连续力学各类问题的一种重要手段。随着计算机技术的普及和不断提高，有限元分析系统的功能和计算精度都在很大提高，各种基于几何造型系
28、统的有限元分析系统应运而生，计算机辅助有限元分析（CAEFA：Computer Aided Finite Element Analysis）己成为计算机辅助工程(CAE)的重要组成部分，是结构分析和结构优化的重要工具，同时也是计算机辅助 4C 系统(CAD/CAE/CAPP/CAM)的重要环节。有限元法是将系统分为许多小单元，例如杆单元、梁单元、板单元等等；然后以单元的连接点( 结点) 的位移为未知量，分别对每个单元假设其位移形态(形函数)，计算出单元的动能和势能便可获得单元刚度矩阵和质量矩阵；最后根据单元结点位移协调和结点力平衡条件，组装成系统的刚度矩阵和质量矩阵。这样将原来连续系统转化为以
29、有限个单元结点位移为广义坐标的离散化系统，即有限元模型。有限元法的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的) 近似解，然后推导求解这个域总的满足条件( 如结构的平衡条件) ，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。即它能够对物理想象进行模拟，对真实情况进行数值模拟。经验表明，有限元分析各阶段所用的时间为：40%50%用于模型的建立和数据的输入，50%
30、55%用于分析结果的判度和评定，而分析计算只占 5%左右。针对这种情况采用计算机辅助设计技术来建立有限元分析的几何模型和物理模型，划分成百上千个结点及单元并编号，完成分析数据的输入，称这一过程为有限元分析的前处理（Preprocessing） 。同时，对有限元分析的结果也需要用 CAD 技术生成形象的图形输出，如生成位移图、应力、温度、压力分布的等值线图，表示应力、温度、压力分布的彩色明暗图，以及随机械载荷和温度载荷变化本科生毕业论文6生成位移、应力、温度、压力等分布的动态显示图，我们称这一过程为有限元的后处理（Post processing） 。在计算机辅助有限元分析的过程中，前、后处理是最
31、主要的工作。有限元分析的流程如图 2.1 所示。图 2.1 有限元分析流程图有限元法的基本思路是“化整为零，积零为整” 。其求解步骤为:在根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域后，首先将连续的结构离散成有限多个单元，并在每个单元中设定有限多个节点，将连续体看作是只在节点处相连接的一组单元的集合体；然后选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一个近似的差值函数以表示单元中场函数的分布规律；进而利用力学中的变分原理建立用于求解节点未知量的有限元法方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题化为离散域中的有限自由度问题。求解结束后，利用解得的节点值和设定的差值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数。有限元分析方法的基本策略就是在分析的精度和分析的时间上找到一个最佳平衡点。简言之，用有限元方法解决问题的思路就是:离散研究对象；分析得出单元刚度矩阵；形成总体刚度矩阵；移置结构载荷；引入支撑条件;求解平衡方程；计算结果整理。在一定条件下，决定有限元方法求解精度的是单元形函数的选择及单元划分的数量。合理的选择单元形函数及划分的数量是控制精度的重要方面。我们在进行模拟仿真时也要着重研究单元类型的选择及其网格划分。
