韓春曉，付 蕓

(長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022)

0 引言

目前在許多發(fā)達(dá)國家中，傳統(tǒng)的產(chǎn)品跌落沖擊試驗已經(jīng)逐漸由計算機(jī)模擬仿真來完成［1］-［2］。光學(xué)鏡頭在生產(chǎn)、運(yùn)輸以及使用的過程中，不可避免會發(fā)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(fù)雜不易控制，而且參數(shù)測試也很困難，不能完整的展現(xiàn)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(xiàn)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(jié)果基本與試驗結(jié)果吻合，可以大幅度降低產(chǎn)品的開發(fā)成本，縮短研制周期，從而達(dá)到占有市場先機(jī)的目的。因此，本文針對鏡頭的跌落碰撞進(jìn)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(jī)設(shè)計程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、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(qiáng)大的實體建模與網(wǎng)格劃分工具，可以方便地進(jìn)行構(gòu)造有限元三維模型;分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析(線性分析、非線性分析和高度非線性分析)、流體動力學(xué)分析、聲場分析、電磁場分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)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(jié)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(xié)同環(huán)境，它避免了將CAD模型導(dǎo)入時，致使部分參數(shù)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(shù)鏈接，以及優(yōu)化設(shè)計的無縫集成，使得ANSYS在仿真驅(qū)動方面邁上了新的高峰。

在Workbench環(huán)境中可以設(shè)置計算參數(shù)，如設(shè)計尺寸、材料等，再提交給底層求解器求解。計算出來的結(jié)果返回Workbench程序顯示出來。若用戶對當(dāng)前設(shè)計方案得出的分析數(shù)據(jù)不滿意，可重新設(shè)置參數(shù)，然后再求解，直到當(dāng)前的設(shè)計方案符合設(shè)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(dǎo)入ANSYS Workbench中，其中幾何模型包括鏡頭，兩塊光學(xué)玻璃，模擬地面的一個長方體。如圖1(a)所示。

4.2 設(shè)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(shù)，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(qiáng)度為380MPa，剪切模量為27GPa;兩塊光學(xué)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(qiáng)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(wǎng)格劃分

ANSYS Workbench的網(wǎng)格劃分是很智能化的，有多種方法與ANASYS類似。在本文中應(yīng)用了默認(rèn)值sizing共劃分成5716個節(jié)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(wǎng)格劃分

4.4 加載條件與后處理

此部分需要設(shè)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(shè)定的最重要的兩個參數(shù)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(jié)省仿真分析計算時間，設(shè)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(xiàn)的是在現(xiàn)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(jìn)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(jié)果。以下是碰撞后的應(yīng)力應(yīng)變。如圖2所示。

圖2(a)、(b)為等效彈性應(yīng)變圖和等效應(yīng)力圖

由圖2可知，鏡頭所受最大等效彈性應(yīng)變?yōu)?.0095291mm，最大等效應(yīng)力0.74327MPa，所受應(yīng)力應(yīng)變較大。因此我們將鏡頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)構(gòu)后模型以及有限元網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3(a)、(b)為優(yōu)化后的模型及有限元網(wǎng)格劃分

優(yōu)化后的模型網(wǎng)格劃分采用默認(rèn)值sizing共劃分成5890個節(jié)點、10100個單元，加載條件與優(yōu)化前相同，圖4即為優(yōu)化后模型的應(yīng)力應(yīng)變分布圖。

圖4 (a)、(b)為優(yōu)化后的等效彈性應(yīng)變圖及等效應(yīng)力圖

由圖4可以看出優(yōu)化后的鏡頭模型所受最大等效彈性應(yīng)變?yōu)?.0058121mm，最大等效應(yīng)力0.40675MPa，比沒有優(yōu)化前的模型所受最大等效彈性應(yīng)變減少了0.0037170mm，最大等效應(yīng)力減少了0.33652MPa。

5 結(jié)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(yīng)用AWE模擬了在使用中可能遇到的跌落情況，得到了它的應(yīng)力應(yīng)變分布圖，由其得知鏡頭的結(jié)構(gòu)存在缺陷，故我們對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并得到了較為理想的仿真結(jié)果。由此可以看出，通過改變結(jié)構(gòu)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(shù)隨結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的參考方法，真正地實現(xiàn)了CAD軟件與CAE軟件之間的協(xié)同設(shè)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(xué)院學(xué)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(yīng)用［J］.計算機(jī)輔助工程，2003(2):46-49.

［5］ 熊云星.基于UG和ANASYS-Workbench下的協(xié)同仿真技術(shù)及實現(xiàn)［J］.浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2007，5(3):60-61.

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