算例分享：带有泡沫塑料包装的电路板的跌落分析
本文摘要（由AI生成）：
本文介绍了使用ANSYS/LS-DYNA进行带泡沫塑料包装的电路板跌落分析的具体应用方法。首先，通过定义单元类型、材料参数和应力应变曲线等参数，创建了电路板和泡沫材料的模型。然后，通过设置单元属性、划分网格和选择线段等操作，完成了电路板和泡沫材料的网格划分。最后，通过设置跌落分析的基本参数，完成了跌落分析。
本文以一个带有泡沫塑料包装的电路板的跌落分析为例，介绍ANSYS/LS-DYNA跌落测试的具体应用方法。问题的简单描述如下。
如图1所示带泡沫塑料包装的电路板，各部分的几何尺寸已经标在图中（所有几何参数单位均为mm）。电路板上还有几个5克重的集成电路块，可以通过集中质量进行模拟，具**置参数如图2所示，位置坐标是相对于图中板的左下角。
图1 带泡沫塑料包装的电路板
图2 电路板上的电路块
电路板材料参数的弹性如下：
弹性模量为4.5E10Pa；
泊松比为0.3；
密度为500kg/m3；
泡沫塑料材料的弹性参数如下：
弹性模量为3.0E6Pa；
泊松比为0.0；
密度为100kg/m3。
包装的泡沫材料拟采用LS-DYNA提供的低密度泡沫材料来模拟（其关键字为*MAT_LOW_DENSITY_FOAM），此本构模型的参数及定义过程请参照分析过程中的描述。
本问题涉及到单元类型包括SHELL163（电路板）、MASS166（电路块）及SOLID164（包装）。建模过程按命令流方式进行，建模命令流如下：
!本问题的单位制为国际单位制，kg-m-s
!定义单元类型
/PREP7
ET,1,SHELL163
ET,2,MASS166
ET,3,SOLID164
! 定义实参数
R,1 , , ,0.002
R,2,0.005
!电路板的材料参数
MP,DENS,1,500
MP,EX,1,4.5e10
MP,NUXY,1,0.3
!定义泡沫材料的应力以及应变数组，应力-应变曲线
*DIM,STRAIN,ARRAY,10,1,1
*SET,STRAIN(1),0.00,0.02,0.1,0.18,0.26,0.36,0.46,0.56,0.68,0.90
*DIM,STRESS,ARRAY,10,1,1
*SET,STRESS(1),0.00,0.00625,0.0125,0.015,0.017,0.0195,0.0233,0.0263,0.05,0.252
EDCURVE,ADD,1,STRAIN,STRESS
!定义泡沫材料参数
MP,DENS,2,100
MP,EX,2,3.0E6
TB,FOAM,2,,,2,
TBDAT,1,1
TBDAT,2,5E6
TBDAT,3,0.5
TBDAT,4,0.0
TBDAT,5,0.05
TBDAT,6,1.0
TBDAT,7,0.0
TBDAT,8,0.0
!创建几何模型
BLOCK,0,110e-3,0,24e-3,-10e-3,10e-3,
BLOCK,0,110e-3,12e-3,24e-3,-1e-3,1e-3,
VSBV, 1, 2
/VIEW, 1 ,1,1,1
/ANG, 1
/REP,FAST
!设置单元属性并划分网格
ASEL,S, , , 4
AATT, 1, 1, 1, 0,
LSLA,S
LESIZE,all, , ,10
allsel,all
VSEL,s , , , 3
VATT, 2, 1, 3, 0
allsel,all
!根据线段的长度选择不同的线段**，并指定其在MESH中的等分数。
!选择长度为0.009的所有线段，指定其在MESH时分为3等分。
LSEL,S,LENGTH,,9e-3
lesize,all,,,3
allsel,all
!选择长度为20e-3的所有线段，指定其在MESH时分为7等分。
LSEL,S,LENGTH,,20e-3
lesize,all,,,7
allsel,all
!选择长度为0.024的所有线段，指定其在MESH时分为6等分。
LSEL,S,LENGTH,,0.024
lesize,all,,,6
allsel,all
!选择长度为0.11的所有线段，指定其在MESH时分为20等分。
LSEL,S,LENGTH,,0.11
lesize,all,,,20
allsel,all
!选择长度为0.002的所有线段，指定其在MESH时分为1等分。
LSEL,S,LENGTH,,0.002
lesize,all,,,1
allsel,all
!选择长度为0.012的所有线段，指定其在MESH时分为3等分。
LSEL,S,LENGTH,,0.012
lesize,all,,,3
allsel,all
!对泡沫体划分扫略网格。
VSWEEP,ALL
ALLSEL,all
!在特定位置的节点上定义集中质量单元。
*SET,n1,node(0.015,0.147,0)
*SET,n2,node(0.085,0.042,0)
*SET,n3,node(0.075,0.102,0)
TYPE, 2
REAL,2
e,n1 $ e,n2 $ e,n3
!创建PART
EDPART,CREATE
!PART绘图
PARTSEL,'PLOT'
!定义泡沫与电路板之间的接触关系
EDCGEN,ASTS, 1,2,0.1,0.1
建好模型后，通过菜单Main Menu>Drop Tset>Set Up进入DTM模块，在弹出的“Drop Tset Set-up”对话框的Basic标签中对跌落分析的基本参数逐个进行设置。其具体的参数设置项目为：
1 设定重力加速度。
在Basic标签的第一栏Gravity的下拉列表中，选择跌落测试中的重力加速度数值为9.81，即计算中采用国际单位制。
2 设定跌落高度
在Basic标签Drop Heigh t栏中输入跌落的初始高度为1.0（单位为m，读者在练习过程中注意输入参数单位的统一），然后在Reference下拉列表中选择上述高度的参考点位置为Lowest Obj Point。
3 测试物体的定位
选择Set Orientation栏中的Pick Nodes...按钮，屏幕上弹出“Pick Nodes”对象拾取框，用鼠标在屏幕上选择电路板右边沿上的任意一个节点，点Apply按钮，然后继续选第二点，这次选择电路板右上角的顶节点，点OK按钮，则这两个节点连线的方向（前一点指向后一点）就是箱体跌落时刻的初始倾斜方向。选择测试对象处于竖直方向放置。
4 设置计算时间
在Basic标签的“Solution Time”一栏中，选择“Start ****ysis near imact time”，在“Run time after impact”文本框中填写0.03（单位：秒）。
5 设置计算输出参数
在Basic标签的“Number of Results Output”一栏中，在“On results file”和“On time history file”文本框中指定结果文件以及时间历程文件的输出步数采用默认设置。
6 设置刚性目标板的参数
转到“Target”标签，在 “Orientation angle”中填15，表示刚性目标板与水平方向成15度倾斜放置；在其中的“Material Properties”一栏中填入刚性目标体的材料参数，杨氏模量填2.5E10，Density填2500，Poisson’s ratio填0.2；在“Contact”一栏中输入静、动摩擦系数为0.2。其他选项接受缺省设置。
此时，在屏幕中则显示刚性目标面与测试物体的相对位置以及刚性板的实际尺寸和厚度等项目，如图3所示。
图3 跌落分析选项设置完成后的图形显示
点Ok按钮，退出“Drop Tset Set-up”对话框，这时在“Drop Test”菜单中出现了“Solve”菜单项，点此菜单项运行跌落测试分析的求解。求解过程中，用户可以通过LS-DYNA 求解器的SW系列开关对计算的过程进行监控，同时获取一些实时统计信息。
求解完成后，在“Drop Test”菜单列表中自动出现“Animate Results”和“Time History”菜单项，通过“Animate Results”菜单项，可对计算结果进行动态观察，在点选这一菜单项之后，在弹出的对话框中选择等效应力“von Mises SEQV”作为显示变量，则可以观察到带泡沫包装的电路板在一系列不同时刻的等效应力动画截图，如图4所示。观察包装泡沫的变形情况以及电路板上的应力分布情况。反弹过程中泡沫与电路板发生了分离。
图4 跌落过程等效应力的变化
还可以选择菜单项Main Menu>Drop Test>Time History>Graph Variables，对一些关心的变量进行时间历程分析。选择此菜单项弹出如图14-40所示的“Graph Time-History Variables”对话框，在此对话框中可以选择要提取时间历程的变量，点“OK”按钮，即可得到所选变量在整个跌落过程中的变化曲线。
选择菜单项Main Menu>Drop Test>Time History>Graph Variables，比如选择显示物体重心以及测试对象跌落前最低点（CG and Lowest Pt）的竖向位移时间历程曲线(Displacement Sreen CS Uy)，如图5所示。
图5 跌落测试对象上各点竖向位移时间历程曲线
