Research of Simulation Application on Tool's Industry
吴晓雨 WU Xiao-yu；倪俊芳 NI Jun-fang
（苏州大学机电工程学院，苏州 215131）
（School of Mechanical and Electric Engineering，Soochow University，Suzhou 215131，China）
摘要：CAE仿真的应用在设计中使用越来越多，但在工具的设计研发中却使用得很少。但是CAE的使用将会大大提高研发时选择正确方向时的准确性，比如预估跌落结果的应用，以及选用正确的设计，来通过跌落的测试。
Abstract: CAE are applied in more and more area, but few in tools' designing. And CAE's application would help you make right choice when you face many different design direction. For example, you could use CAE to predict the result of drop test, and choosing right design to go through the drop test.
关键词：CAE；设计；跌落
Key words: CAE；design；drop
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）35-0188-02
0 引言
电动工具的企业全球有超过100家，所以这个行业的竞争是相当激烈的。对研发时间的加快和对成本控制的要求越来越高。研发时间的缩短可以快速进行产品的更新换代，从而可以及时占据市场的新产品的制高点。
新加坡国立大学Lim和他的研究小组做了一些产品级跌落测试实验[1]，其特点是：跌落的角度不易控制，因为实际跌落的角度是随机的，但是在试验中无法做到。所以实体的测试不利于机器快速推向市场。
而CAE在研发过程中，对受力分析，散热分析都会起到很大的指导作用。
本文重点对其在跌落上的应用进行讲解。
工具出口欧美国家都需要经过安规认证的。准备销售的产品必须要得到安规认证的证书，才能在相应的国家进行销售，如果未得到认证的产品上市，被发现后会被强制下架，并且公司要接受惩罚。
安规中有一项就是跌落要求，其要求是跌落之后工具要保证安全性和功能性。国内大部分公司都是用实物去尝试的这个跌落的过程。不可靠且不全面。如果一直使用实物进行跌落的分析和研究，那对研发的时间和成本都会有很大的影响。
但是如果使用CAD软件进行3D建模，再使用CAE软件通过有限元法[3]进行模拟分析，利用CAE进行跌落的模拟从而大大减少了测试的费用和项目的时间。那对整个研发进度的提升都会是巨大的。
1 理论基础
1.1 碰撞运动方程
首先跌落的整个过程是个冲击的过程，是个复杂的碰撞过程，包含了接触，高速冲击。是一个复杂的非线性的问题。
首先在总体坐标系下，我们可以建立此碰撞的运动方程：■（1）
（1）式中：[M]为结构的质量矩阵；[C]为结构的阻尼矩阵；[K]为结构的刚度矩阵；{a}为加速度向量；{v}为速度向量；{d}为位移向量；{Fex}为包括碰撞力内的外力向量。
若令■，并设{Fre}={Fex}-{Fin}，则碰撞方程可以写成为：
■（2）
若采用集中质量，即质量矩阵[M]变成对角矩阵，各个自由度的方程将是相互独立的，即：
■（3）
1.2 显式积分算法
用显式方法求解碰撞运动方程，首先由方程（3）直接求出：
■（4）
然后对时间积分求得速度Vi，再积分一次就会获得位移Di，这里采用中心差分的显式格式来进行时间积分。中心差分的显式格式为：
■
在整个时域范围内，可由上述积分递推公式求得各个离散时间点处的位移、速度和加速度。显式积分不需要进行矩阵分解或求逆，无需求解联立方程组，也不存在收敛性问题，因此，计算速度快，其稳定性准则能自动控制计算时间步长的大小，保证时间积分的进度。
2 实际应用
2.1 设计提前分析
在3D图已经设计完成的情况下，ANSYS 软件设计了与大部分计算机辅助设计软件（CAD）的通用接口，这么做就是为了更好地实现数据的分享，比较成熟的有 Pro/Engineer、UG、CATIA 和 AUTOCAD 等软件[2]。当对此设计的跌落试验无把握时，我们可以采用CAE仿真的方法来得到正确的指导建议。
比如电圆锯，其手柄部分在手柄朝下跌落的状态下，手柄极易损坏。
从而得到了图1的结果，最大塑性变形的区域达到了13.5%，这已经是超过了尼龙+30%玻纤材料的极限伸长率，从而基本上这样的跌落和设计，会造成手柄破裂，从而无法通过安规的认证测试，无法再相应的地区进行销售。
2.2 仿真验证不同解决方案
在多数的企业里面，在一轮测试失败的情况下，工程师会根据自己的经验来进行设计，加强此处的强度。设计图纸结束后，进行新的样机的制作，大概需要1-2个月，然后在进行测试。如果失效就再设计再测试，这样的循环往复，往往会造成大量的时间，金钱和人力资源上的浪费。
但是如果使用CAE仿真的话，那么多个方案，我们就可以同时进行仿真，选择其中最好的方案。
如图2，我们有三种方案。
分别对3种方案进行模拟，我们就能得到三种方案的对比优劣，如图3。
通过仿真我们就能看出方案1是不合格的，方案2和3是可行的，但是方案3更优。所以通过这样的仿真对比，我们就能很容易选出正确的方案进行样机的设计。当然后面的测试也验证了此方案的正确性，此方案顺利通过了安规，正常发售。
3 总结
通过上面的应用的讲解，我们可以看出，如果使用了CAE仿真技术的话，我们的研发效率和选择的正确性上会大大地提高。
其一在于其可以帮忙预测此设计的结构是否合理，是否能达到公司或者安规的要求；其二在于，当设计出现问题的时候，我们可以不用大成本地投入到样机的制作和测试中，我们可以通过CAE仿真的方法选出最优的方案。
当然CAE仿真技术在研发中不仅仅可以用于跌落分析，在其他的受力分析和气流的分析中都能起到至关重要的作用。
参考文献：
[1]Lim C T，Low Y J．Investigating the drop impact of portable electronic product—s．In：Proceedings of the 52nd Electronic Components Technology Conference，SanDiego，CA，USA 2002—05—28—31．IEEE，2002．1270—1274.
[2]陈涛.Auto CAD 与 ANSYS 接口研究[D].武汉理工大学，2010.
[3]O.C.Zienkiewicz,R.L.Taylor.有限元方法[M].北京：清华大学出版社，2006. |
