在电子行业中,仿真技术扮演着重要的角色,尤其在摄像头模组行业结构设计阶段、试产后以及后期发现问题的时候,均会通过仿真来为结构设计提供优化方向以及提供可靠性、出现问题后还原问题出现的过程进而优化改进。本案例同时还介绍里Abaqus与hypermesh联合仿真技术。
摄像头模组通常会进行跌落测试以及温度冲击测试,本案例主要叙述跌落仿真的整个流程。摄像头模组结构较为复杂,基本上由镜头(Lens)、马达、Holder、蓝玻璃、PCB、感应器(sensor)、电子元件、金线以及各种粘接胶、泡棉等,所以跌落实验可靠性尤为重要。
一、前处理
Hypermesh作为专业的前处理软件,一直备受仿真工程师的青睐。同时Hypermesh拥有强大的网格处理功能以及与商用有限元软件的接口,通过Inp的交互可以与Abaqus进行交互。如图1.1为实际跌落分析用的制具,可以看到制具同时可以放置4颗模组。(图1.2为本次案例分析的摄像头模组的装配图)
图1.1、模组制具图
图1.2、摄像头模组装配体
在摄像头模组网格划分中,泡棉、Sensor、PCB、电子元件等规则的零件都会用六面体来拟合,案例中以PCB板为例介绍六面体网格划分的一种方法。
划分PCB的时候,我们把圆角特征省略,在几何上从中间面割开为三个体,先划分中间体的面网格,然后通过拉伸进行上下拓扑。当然再画2D网格时,在网格拟合时会带入三角形,这样会造成3D里边有少量五面体,Abaqus是接受的。同时在2D网格划分时,要检查网格质量。
值得注意的是PCB有软板和硬板之分,为了方便材料属性的赋予,将其分别放在两个component里。
在摄行头模组中,Lesns结构较为复杂,同时在跌落模拟时有时会分析镜头和马达之间的胶粘行为,所以不能过度简化,综合考虑将其划为四面体较为合理。(制具、马达同样也划分四面体网格)。
划分四面体,首先在结构表面先构造2D网格,此时一定要检查网格质量(包括长宽比、雅可比、扭曲比以及最小长度、最大角度等在内的几项)同时利用Edge、face等命令来查看节点重合情况,以及利用2D工具中automesh 的element选项来提高网格质量。如图1.5为lens几何模型,1.6为lens有限元模型(此处仅为了展示,几何模型和有限元模型不匹配)。
接触的创建可以在前处理软件HyperMesh中自动生成,也可以在Abaqus中创建。在HyperMesh中通过调整零件的间距以及角度,来自动寻找接触,是基于单元的。
在Abaqus中如果没有几何体而只有有限元模型,也可以自动生成接触,相对在HyperMesh繁琐(个人经验认知)。大家可以进行尝试。
同时将制具之间通过coupling联合在一起,来模拟螺栓连接。
图1.7、coupling接触
图1.8、绑定接触
在跌落过程中,考虑到零件之间的互相碰撞,所以需要建立通用接触,其意义就是为了防止可能碰到的零件之间未建立接触,以及地板和整个制具之间的接触。在通用接触属性中接触行为设定切向摩擦系数,法向默认硬接触。
图1.9、Abaqus通用接触设定
当我们用HyperMesh为Abaqus显示动力学(Explicit)做前处理时,在进入hypermesh界面时,做如图2.0界面设置改为Abaqus接口。
Abaqus中单元名称以及含义与Ansys不同,在abaqus接口中不用单独创建,会自动根据分析类型进行匹配,也可以进行查看以及更改,如图2.1所示。
在输出设置中,改到如图2.2界面,输出类型为显示动力学,同时输出处可以选择所有和当前显示,选择当前显示可以将单独零件以inp形式输出,方便网格亦或是结构修改后网格的复用。
图2.0、Abaqus输入接口
图2.1、Abaqus单元查看
图2.2、Abaqus输出接口
材料属性同样既可以在hypermesh中设置,也可以在Abaqus中设置。二者材料库可以通过inp文件进行传输来设置。Abaqus提供了多种材料本构以及各种损伤准则,便于后续胶粘设置以及金线塑性的设定。案例材料设置如图2.3所示。
图2.3、Abaqus中材料属性赋予
重力加速度在load中设置,选对重力加速度方向,其单位依据当前分析项目单位而定。案例中是沿着Z轴负方向如图2.4。
图2.4、重力加速度设定
这里的速度设定,设置的是末速度,vt是所求的末速度,这里的v0未出速度值为0,高度根据分析而定。案例中分析的是1.5m高的跌落,所以末速度为5422mm/s如图2.5。
图2.5、速度设定
约束的位置上是地板的下表面,地板的材质是按照规范里的花岗岩。地板的建立推荐和分析整体在同一个软件里创建。如图2.6为在Abaqus为地板设置约束。
图2.6、约束设定
跌落分析输出输出信息量巨大,合理调整输出频率以及输出区域。间隔步太大容易丢失想要观察(撞击)瞬间的数据,设置太小造成数据冗杂,对于电脑内存消耗造成负担。输出设定如图2.7所示。
图2.7、输出设定
当设定全部结束,便可以在Job中创建工作,当然可以在Abqus中复制多个创建好的model将改为不同侧面的跌落,同时也可以将inp传递到hypermesh中进行创建(适工程师对软件的熟悉程度而定)。并行设置根据电脑配置合理设置如图2.8。
图2.8、并行设置
后处理本案例利用hyperview来输出结果,如图3.1为总体位移图,从图中可以看到最大位移在PCB末端,呈晃动态势。在跌落过程中,通过接触反力来查看制具与平台的接触情况。通常以应变为判据来查看传感器(sensor)以及蓝玻璃的破损情况。如图3.3可以看到传感器最大应变为0.02%,图3.4可以看到蓝玻璃最大应变为0.06%。通过文献以及业界资料如以0.2%来判定传感器和蓝玻璃的损伤情况,认为Top面跌落时二者是安全的。
图3.6为电脑配置,一个面跌落用10个线程并行,CPU120S 跑的量级在负8之上,大概2-3小时可以完成分析。
图3.1、总体位移图
图3.2、接触反力图
图3.3、sensor应变值
图3.4、蓝玻璃应变值
图3.5、电脑配置
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