消防員的工作環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，條件十分惡劣。消防員在工作時(shí)需要佩戴安全頭盔和消防面罩，以防止工作場(chǎng)所中的有毒有害物質(zhì)及高空墜落物體對(duì)消防員的傷害。但其中存在一個(gè)核心問題是消防面罩的密封性能非常好，使得隔音效果很好，消防員即使通過對(duì)講機(jī)也難以與其他隊(duì)員保持良好的通信，給救援工作帶來不便，圖1為消防面罩外形圖。為了方便消防員能隨時(shí)進(jìn)行通話，研發(fā)人員設(shè)計(jì)出了一套新的安防產(chǎn)品，新產(chǎn)品在原有的消防面罩兩側(cè)配有擴(kuò)音模塊和通信模塊，用SolidWorks軟件建立新產(chǎn)品的三維模型，如圖2所示。消防員可以利用擴(kuò)音模塊將自己的聲音放大到面罩外，從而可以和現(xiàn)場(chǎng)其他人員交流，而通信模塊則起到隨時(shí)保持消防員之間通信的作用。安防產(chǎn)品的外殼需要滿足阻燃、耐熱、抗跌落、抗沖擊等性能。本文主要介紹了安防產(chǎn)品材料選擇的過程，利用有限元軟件仿真分析了某種材料新產(chǎn)品的抗沖擊能力，從而為新產(chǎn)品材料的最終確定提供有力的依據(jù)和指導(dǎo)作用。
圖1 消防面罩
圖2 安防新產(chǎn)品
1 安防產(chǎn)品有限元仿真的必要性 在新產(chǎn)品的開發(fā)中，研發(fā)人員往往耗費(fèi)大量時(shí)間與資金針對(duì)產(chǎn)品的抗沖擊性能進(jìn)行相關(guān)的沖擊試驗(yàn)。這類沖擊試驗(yàn)只有在產(chǎn)品制造實(shí)現(xiàn)之后才能進(jìn)行，一旦發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷而對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，就意味著原樣品的報(bào)廢與新樣品的再制，如此循環(huán)直到滿足要求為止，既耗費(fèi)時(shí)間又增加成本。安防產(chǎn)品在攜帶及使用中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)設(shè)備跌落，造成對(duì)產(chǎn)品的沖擊，與其它產(chǎn)品設(shè)計(jì)相比，安防產(chǎn)品需要滿足更高的沖擊性能。安防產(chǎn)品材料的選擇至關(guān)重要，產(chǎn)品外殼需要在惡劣的環(huán)境下能保護(hù)內(nèi)部組件正常工作，因此安防產(chǎn)品的外殼必須阻燃、耐熱性好，而且要滿足在溫度變化范圍大的情況下保持優(yōu)越的機(jī)械性能。仿真技術(shù)作為一種新型快速的研究方法得到了廣泛的使用，越來越多的研發(fā)單位傾向于運(yùn)用CAE分析來改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。利用有限元軟件對(duì)安防產(chǎn)品進(jìn)行沖擊分析，可以幫助研發(fā)人員在產(chǎn)品尚未批量生產(chǎn)之前找到產(chǎn)品的易損部件，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期找出問題發(fā)生的起點(diǎn)，從而改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，起到省時(shí)、省錢和提高設(shè)計(jì)質(zhì)量的作用，進(jìn)而最終降低產(chǎn)品的研發(fā)成本，加快產(chǎn)品的上市速度。
2 產(chǎn)品外殼薄弱部位的沖擊分析
2.1 產(chǎn)品材料 PPA（聚對(duì)苯二酰對(duì)苯二胺）材料是一系列半結(jié)晶性工程聚合物，具有優(yōu)越的阻燃性能和機(jī)械性能，它介于傳統(tǒng)的熱可塑性工程材料和高成本的特種聚合物之間，兼具成本低與性能佳的優(yōu)點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)性的應(yīng)用方面，玻璃纖維增強(qiáng)型材料在高溫下具有更高的剛度、強(qiáng)度和抗沖擊性。經(jīng)過分析，選擇16%的玻璃纖維增強(qiáng)型為新產(chǎn)品外殼的材料。該材料的阻燃性好，耐高溫，防火等級(jí)可達(dá)到V-O級(jí)，熱變形溫度高達(dá)300℃以上，連續(xù)使用溫度可達(dá)170℃，能滿足短期和長期的熱性能，可在一定的溫度范圍內(nèi)和高濕度環(huán)境中保持其優(yōu)越的機(jī)械性特性及抗沖擊性。
2.2 實(shí)驗(yàn)方法 針對(duì)便攜式電子產(chǎn)品，權(quán)威部門制定了電子產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)環(huán)境適應(yīng)性領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)以環(huán)境試驗(yàn)方法為主，有關(guān)環(huán)境條件、環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)條件、環(huán)境測(cè)量、數(shù)據(jù)處理分析、環(huán)境時(shí)樣與環(huán)境條件的國際和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)主要是GB/T-2423《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)方法》。
GB/T2423.8-1995標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)跌落沖擊環(huán)境試驗(yàn)作了如下規(guī)定：
(1)試驗(yàn)?zāi)康模捍_定產(chǎn)品在使用期間遭到?jīng)_擊的適應(yīng)性，或確定安全要求用的最低牢固等級(jí)。
(2)試驗(yàn)表面：試驗(yàn)表面應(yīng)是混凝土或鋼制成的平滑、堅(jiān)硬的剛性表面。
(3)跌落高度：應(yīng)從下列值中選取跌落優(yōu)選高度：25、100、500、1000mm，對(duì)于小型產(chǎn)品，跌落高度為1000mm，這里選擇1000mm作為安防產(chǎn)品跌落沖擊的實(shí)驗(yàn)高度。
(4)釋放方法：本文所進(jìn)行的安防產(chǎn)品沖擊試驗(yàn)中選用試驗(yàn)表面的是剛性地面，釋放方法為1000mm高度自由釋放。
設(shè)安防產(chǎn)品質(zhì)量m約為0.152kg，取g=9.8m/s2，當(dāng)安防產(chǎn)品從高度H=1000mm自由落體所做功為：
Q=mgH=0.152×9.8×1.0=1.49J
經(jīng)過分析，可以確定安防產(chǎn)品最薄弱區(qū)域?yàn)槎鷻C(jī)的上蓋。當(dāng)耳機(jī)上蓋與剛性地面正面碰撞時(shí)，將對(duì)產(chǎn)品造成最大的沖擊傷害。由于本文是針對(duì)產(chǎn)品外殼的抗沖擊分析，并未涉及到產(chǎn)品內(nèi)部的功能，為了減少軟件運(yùn)算的時(shí)間和復(fù)雜度，可以將此分析簡化為耳機(jī)上蓋自由跌落所做功為1.49J時(shí)，與剛性地面的正面碰撞。
2.3 有限元沖擊模擬分析 有限元模型的材料參數(shù)見表1采用的仿真分析方法如下。
表1 有限元模型的材料參數(shù)
1)分析模式：采用跌落測(cè)試的方法。
2)網(wǎng)格劃分：網(wǎng)格精度采用高雅克比算法的網(wǎng)格器劃分模式，如圖3所示。
圖3 耳機(jī)上蓋有限元模型
3)跌落工況：耳機(jī)上蓋與地面的正面碰撞。
仿真結(jié)果：
(1)1.5J能量的沖擊。圖4是模型正面跌落仿真的應(yīng)力值，圖5是模型正面跌落仿真的應(yīng)變值。從圖中可以看出，耳機(jī)上蓋所受的最大應(yīng)力和應(yīng)變集中在中間格柵處，最大應(yīng)力為192.5MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.5%，耳機(jī)上蓋的材料為16%玻璃纖維增強(qiáng)型PPA，其許用屈服應(yīng)力是220MPa，許用屈服應(yīng)變2.8%。可以看出，耳機(jī)上蓋正面跌落仿真中所受的應(yīng)力值和應(yīng)變均未超過許用屈服應(yīng)力應(yīng)變。
圖4 耳機(jī)上蓋正面跌落碰撞的應(yīng)力分布
圖5 耳機(jī)上蓋正面跌落碰撞的應(yīng)變分布
(2)2.0J能量的沖擊。圖6是模型正面跌落仿真的應(yīng)力值，圖7是模型正面跌落仿真的應(yīng)變值。從圖中可以看出，耳機(jī)上蓋所受的最大應(yīng)力和應(yīng)變集中在中間格柵處，最大應(yīng)力為232.6MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.1%。耳機(jī)上蓋的材料為16%玻璃纖維增強(qiáng)型PPA，其許用屈服應(yīng)力為220MPa，許用屈服應(yīng)變2.8%。可以看出，耳機(jī)上蓋正面跌落仿真中所受的應(yīng)力值超過其許用屈服應(yīng)力，應(yīng)變未超出其許用應(yīng)變。
圖6 耳機(jī)上蓋正面跌落碰撞的應(yīng)力分布
圖7 耳機(jī)上蓋正面跌落碰撞的應(yīng)變分布
通過上述的仿真分析，可以得出，耳機(jī)上蓋的最大應(yīng)力集中分布在中間格柵處，此模型雖未通過2.0J能量的沖擊作用，但其能夠承受1.5J能量的沖擊作用，已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
2.4 沖擊實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證對(duì)比
通過對(duì)新產(chǎn)品進(jìn)行不同等級(jí)沖擊仿真的有限元分析后，為了驗(yàn)證該仿真的準(zhǔn)確性，需要對(duì)PPA玻璃纖維增強(qiáng)型材料試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為了保證物理實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，利用實(shí)驗(yàn)室不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)樣品進(jìn)行兩種沖擊測(cè)試。
測(cè)試樣品：PPA玻璃纖維增強(qiáng)型材料樣品兩組，每組3個(gè)樣品，對(duì)每個(gè)樣品進(jìn)行編號(hào)。
測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：在GB/T2423.8-1995的基礎(chǔ)上修改。
2.4.1 測(cè)試一
測(cè)試方法：通過輸出能量為1J、1.5J和2J的彈簧沖擊器對(duì)第一組樣品指定部位分別進(jìn)行能量為1J、1.5J和2J的沖擊試驗(yàn)各3次，每次沖擊過后需檢查樣品是否損壞，當(dāng)發(fā)現(xiàn)樣品出現(xiàn)裂紋或破損時(shí)，停止沖擊，如圖8所示。
設(shè)備名稱：彈簧沖擊器
產(chǎn)品商標(biāo)：ED&D
產(chǎn)品規(guī)格：5110，F(xiàn)22.50
沖擊能量誤差：1.00±0.05J；1.50±0.07J；2.00±0.08J
2.4.2 測(cè)試二
測(cè)試方法：利用實(shí)驗(yàn)室的跌落沖擊裝置對(duì)第二組樣品指定部位分別進(jìn)行能量為1J、1.5J和2J的沖擊試驗(yàn)各3次，每次沖擊過后需檢查樣品是否損壞，當(dāng)發(fā)現(xiàn)樣品出現(xiàn)裂紋或破損時(shí)，停止沖擊，如圖9所示。實(shí)驗(yàn)用質(zhì)量為m=0.5kg的鋼球自由跌落沖擊樣品，由公式H=Q/mg求得各沖擊能量下的高度。
圖8 彈簧沖擊實(shí)驗(yàn)
圖9 跌落沖擊實(shí)驗(yàn)
取g=10 m/s2;當(dāng)沖擊能量QL=1J，Q2=1.5J，Q3=2J時(shí)，分別得到?jīng)_擊高度H1=200mm，H2=300mm，H3=400mm。
首先用固定裝置固定好樣品的位置，并通過支架調(diào)整鋼球的位置，保證鋼球跌落時(shí)和樣品指定部位在同一直線上。然后按照計(jì)算，調(diào)整鋼球和高度，分別設(shè)定對(duì)應(yīng)200mm、300mm和400mm高度。最后釋放鋼球，鋼球自由跌落對(duì)樣品進(jìn)行沖擊。
設(shè)備名稱：跌落沖擊裝置組成部分：0.5kg鋼球；測(cè)量卷尺：不銹鋼固定支架；樣品固定裝置。
沖擊高度：H1=200mm；H2=300mm；H3=400mm。
沖擊實(shí)驗(yàn)后，仔細(xì)檢查兩組樣品的受損情況。第一組樣品中，經(jīng)沖擊能量為1J和1.5J的彈簧沖擊器各3次的沖擊后，樣品外觀沒有出現(xiàn)裂紋及破損情況，結(jié)構(gòu)完整性沒有破壞，能正常使用。經(jīng)過沖擊能量為2J的彈簧沖擊器第二次沖擊后，樣品外觀出現(xiàn)裂紋，結(jié)構(gòu)完整性遭到破壞，不能正常使用；第二組樣品中，經(jīng)過沖擊能量為1J和1.5J的鋼球沖擊各3次的沖擊后，樣品外觀同樣沒有出現(xiàn)裂紋及破損情況，結(jié)構(gòu)完整性沒有破壞，能正常使用。經(jīng)過沖擊能量為2J的鋼球第二次沖擊后，樣品外觀出現(xiàn)破損情況，結(jié)構(gòu)完整性遭到破壞，不能正常使用，如圖10所示。
圖10 耳機(jī)上蓋物理跌落碰撞
結(jié)果對(duì)比，通過SolidWorks Simulation軟件對(duì)樣品模型進(jìn)行沖擊仿真有限元分析以及物理沖擊實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，可以得到PPA玻璃纖維增強(qiáng)型材料的樣品能夠承受1.5J能量的沖擊作用，這與仿真結(jié)果很接近，由此可知有限元分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是相一致性的。
3 結(jié)論 (1)新產(chǎn)品外殼最薄弱的部位能夠承受1.5J能量的沖擊作用，材料的選擇符合設(shè)計(jì)要求。
(2)通過有限元仿真與物理實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證的分析方法，仿真結(jié)果與物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常接近，驗(yàn)證了有限元仿真分析的可靠性。
(3)采用SolidWorks Simulation軟件為新產(chǎn)品進(jìn)行沖擊仿真分析，可以幫助研發(fā)人員事先預(yù)測(cè)，可及時(shí)修改產(chǎn)品設(shè)計(jì)，從而縮短開發(fā)過程，提高設(shè)計(jì)效率。
