基于Abaqus的手持式电动工具跌落仿真
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摘要： 通过适当的几何简化并充分考虑材料的相关特性，合理再现零件之间的装配关系，应用abaqus模拟手持式电动工具跌落测试.结果表明：仿真分析结果与试验结果吻合，能够观测到整个跌落冲击过程和产品内部的冲击特性，帮助找到导致失效的根本原因.跌落仿真分析结果可以在样机出来之前消除一些设计缺陷，有效指导产品设计.
关键词： 电动工具； 跌落测试； 材料特性； 有限元分析； Abaqus
中图分类号： TS914.5； TB115.1文献标志码： B
引言
手持式电动工具在整个产品设计周期内，需要考虑相关的认证标准，使最终设计的产品符合要求，跌落测试就是认证标准中的一项内容.按规定条件将手持式电动工具跌向刚性地面，检验工具在误跌时，电气、机械和功能的可靠性.[1]只有经过跌落测试，功能不丧失且电气及机械性能安全的产品才是对客户负责的产品.
按照传统的方法，只有在拿到物理样机后才能进行跌落测试，既耗时又不经济，设计改进的局限性也很大.借助有限元仿真技术，设计人员可随意选择多个跌落方向，迅速模拟跌落过程.本文采用Abaqus[2]对手持式电动工具进行跌落仿真并加以阐述.关于仿真结果的准确性，可从几何简化、材料属性等方面进行探讨，旨在为后续的手持式电动工具及类似产品跌落仿真提供参考.
1有限元模型
1.1几何简化
在手持式电动工具跌落测试中，失效的不一定是直接接触刚性地面的零件，也可能是处于载荷传递路径上的零件.在模拟过程中，仅保留核心零件，其余零件的质量赋予质心，再建立质心与核心零件间的连接关系，有一定的局限性.因此，除非已经确定整机中该零件是唯一需要验证的零件，否则建议建立整机模型的有限元模型.并不意味着需要将所有零件都考虑进来，那些对结果影响很小的零件（如内部电线、薄垫片、弹簧、橡胶圈和标签等）可以忽略.对于结构复杂且并非跌落测试中的关键零件（如马达和PCB等），可用简单的几何体代替.关键零件的某些细小特征对结果影响很小，但对网格质量影响较大，也可以考虑去除.经过这些考量，得到的有限元模型既可以保留整机的属性，又可以很大程度上减少前处理的工作量，提高网格质量，缩短计算时间.某手持式电动工具几何简化后模型见图1.
图 1某手持式电动工具几何简化后模型
1.2材料属性
电动工具零件的材料包括钢、铸铝、塑料和橡胶等.其中，铸铝件和塑料件在跌落测试中容易出现失效，是重点考察对象.
在跌落测试中，材料不只处于弹性变形阶段，通常会超过屈服极限进入塑性变形阶段.此时，仅考虑材料的弹性属性（如弹性模量和泊松比等）已不足以反映材料的真实情况.因此，在跌落仿真时，需要考虑材料以下几个方面的影响.
1.2.1塑性
材料的标准试样通过拉伸试验或者三点弯曲试验，可获得材料的名义应力应变曲线.典型金属材料的名义应力应变曲线见图2.
1.2.2温度和水处理
对于塑料和橡胶等材料，温度对材料属性的影响不可忽视，而尼龙这种具有吸水特性的材料，水处理对材料性能也有影响[3]，见图3.通常，跌落测试在室温下进行，故温度对材料性能的影响在跌落测试中影响不大.（a）PA6 GF30无水处理（b）PA6 GF30有水处理图 3PA6 GF30在不同温度下/有无水处理的材料特性曲线
1.2.3应变率
在跌落测试中，冲击过程是高速并瞬态的，应变率相关的材料（如尼龙+玻纤）会展现不同的材料属性，普通的准静态试验获得的应力应变曲线已经不足以反应该特性，需要做高速试验，国内外这方面的研究工作已经很多.[4]材料在不同应变率下的特性曲线见图4.
图 4材料在不同应变率下的特性曲线
1.2.4玻纤方向
对于尼龙+玻纤的材料，因为玻纤方向的不确定性和随机性，材料表现出很强的各向异性特性，玻纤方向对材料性能的影响[5]，见图5.
图 5玻纤方向对材料性能的影响
可以在进行有限元分析前，通过相关软件确定材料的玻纤排布方向，随后对材料属性进行映射，以获得更高的仿真精度.
本文所用的材料属性考虑以上几个方面的因素，因此，仿真结果精度能够得到保障.
1.3初始条件的设定
在保证计算精度的基础上，将实际的自由落体运动转换为施加初速度碰触地面，可以极大地缩短Abaqus的计算时间.施加在模型上的初速度Vin=2·g·h （4）式中：Vin为初速度，m/s；g为重力加速度，m/s2；h为跌落高度，m.
计算时间长度设定为模型与地面接触碰撞之后又弹起来.
1.4质量缩放
在跌落仿真中，许多复杂模型包含一些尺寸很小的单元，由于几何限制，这些单元不能再被优化，而正是这些单元决定着仿真计算中的稳态时间增量步，使显式动态分析只能采用很小的时间增量.稳定时间增量Δt=Lecd=LeE/ρ （5）式中：Le为特征单元长度，mm；cd为材料的膨胀波速，mm/s；E为材料的弹性模量，MPa；ρ为材料的密度，t/mm3.
为提高计算效率，Abaqus/Explicit常采用质量缩放的方法.在真正的动态仿真问题中，为保证结果的精度，只能对少数单元进行质量缩放，并且不允许明显地增加整个模型的质量.因此，在分析过程中仅对单元稳态时间增量低于给定值的单元进行质量缩放，只增加控制单元的质量可显著提高稳态时间增量，并且对整个模型的影响可以忽略不计.
2结果和分析
手持式电动工具跌落过程中，主要关心零件是否具有足够强度.本文对某款手持式电动工具的底板在2 m高以某角度跌落的结果进行仿真分析，结果见图6.仿真结果显示，初始设计中，底板部分区域应变超过底板材料的失效应变，以灰色显示.该底板的设计有进一步改进的必要.改进设计后，底板强度得到有效提高，应变值低于材料的失效应变.对改进设计后的零件进行加工并进行跌落测试，试验结果表明，该设计可以通过2 m跌落试验，试验结果与仿真结果吻合.
3结束语
跌落仿真可以应用于手持式电动工具或其他产品的跌落测试试验中，用来预测产品设计中可能存在的风险点.本文对跌落仿真结果和跌落测试结果的对比进一步证明，应用Abaqus/Explicit进行跌落仿真是可行性的.影响跌落仿真结果精度的因素有很多，本文针对几何简化，特别是材料特性进行探讨.因为手持式电动工具结构复杂，通常采用修正的四面体二次单元，本文未就单元类型的不同对仿真结果的影响展开讨论.（a）初始设计（b）改进设计（c）改进设计零件图 6底板2 m跌落仿真结果和试验结果
参考文献：
[1]IEC 607451—2006手持式电动工具安全性第1部分： 一般要求[S].
[2]刘展. Abaqus 6.6基础教程与实例详解[M]. 北京： 中国水利水电出版社， 2008： 221224.
[3]BASF. Ultramid B3EG6[DB/OL]. （20130801）[20130810]. http：///campus/ en/datasheet/Ultramid%C2%AE+B3EG6/BAS F/20/3675d41d？pos=67.
[4]MARCUS S， CHRISTIAN B， WOLFGANG G， et al. Mechanical behavior of glassfiber reinforced thermoplastic materials under high strain rates[J]. Polym Testing， 2008， 27（7）： 893900.
[5]GHAZISAEIDI H. A description of the anisotropic material behaviour of shortglass fibre reinforced thermoplastics using FEA[D]. Karlskrona， Sweden： Blekinge Institute of Technology， 2006.