Dytran在电钻跌落仿真中的应用论文
摘 要：电动工具在装运，销售和使用过程中都有可能发生跌落。在我国和欧美等国都有明确规定，传统的做法都是依靠经验，只有到新品试制阶段才可以进行跌落实验。如果不能通过，又需要修改模具或方案调整。开发人员往往会有意加大安全因子，以节约新品试制阶段的时间和防止方案的反复。这就造成了成本的增加。 在当今，激烈市场竞争要求我们不断的对产品有新的创新。这种创新无疑会增加产品开发的风险。传统的做法实验周期长，数据不一致等问题，暴露了其局限性。 在这种形势下，利用非线性瞬态计算软件，通过计算机仿真技术的应用，从而显著降低产品开发风险，缩短了产品开发周期，降低产品成本和研发费用。提升了研发能力和产品的竞争力。
关键词：跌落；有限元法；Dytran
电钻是通过电动机将电能转化为机械能,并通过减速机构得到合适输出转速和扭矩的一种便携式工具.第一台电钻产生于1970年,由百得电动工具有限公司制造。20世纪70~80年代，电钻的技术有了很大的`发展，且与新技术革命的发展紧密结合。电钻的发展趋势如下：高功率，寿命长，结构小型化和好的人机工程。在此趋势下，要想能顺利通过跌落测试，对结构设计的要求越来越高。MSC.Dytran是一种专门用于解决瞬态大变形碰撞问题的仿真软件。
1．算法分析
由于电钻是研究固体之间的瞬态碰撞，因而采用拉格朗日法，并采用显式积分法求解。在采用低精度单元和细密网格的基础上，经过近似处理，可以使系统的质量矩阵不包含耦合项，从而在进行显式时间积分时无须进行矩阵求逆，只需求解关于每个自由度的独立一元一次代数方程，使得计算效率大大提高。
建立运动微分方程：
Man+Cvn+Kdn=Fextn
改写成：
Man= Fextn –Fintn an=M-1Fresidualn
其中， Fext=外载荷矢量Fint=内力矢量，Fint= Cvn+Kdn
Fresidual=剩余力矢量，Fresidual=Fext –Fint
M=质量矩阵
加速度可通过对质量矩阵求逆并乘以剩余力矢量求出。
将单元质量分部在节点上,则M为一对角阵，称集中质量矩阵. 线性方程组将成为一系列关于各个自由度的独立的一元一次方程, 从而可求出加速度为：
ani= Fresidual/Mi
在时间推进上采用中央差分法：
vn+1/2=vn-1/2+an(Δtn+1/2+Δtn-1/2)/2
dn+1= dn+ vn+1/2Δtn+1/2
即假设加速度在一个时间步长内是恒定的。
显式积分法不需要做矩阵分解。要保持计算稳定，积分时间步长必须小于网格的最小固有周期:
Δt≤2/ωmax
式中, ωmax为有限元网格的最大自然角频率。以一维单元为例,最小时间步长由下式决定:
Δtmin= lmin /（E/）1/2
式中, lmin是有限元网格的最小单元的边长;E是材料的弹性模量; 是材料密度。这意味着时间步长必须小于应力波跨越网格中的最小元素的时间。 在规定的单元大小和质量标准下，建立有限元模型。其中包括机壳，开关，机芯部件，夹头等。按照零部件的实际关系进行连接，并按照预定的方向进行跌落.
2．有限元模型建立
2.1单位系统：Kg.mm.s
2.2机壳部件基于CAD模型抽取中面。并将其离散为壳单元，机芯部件中采用了实体单元。
2.3连接和接触：在模型中主要的连接为：螺钉和止口的连接。止口的定义通过BJOIN给定规定的失效条件实现。
其它如需要重点考虑的配合部位可以同样定义contact.如需要定义接触其方法与定义电钻与地面撞击类似。本文对撞击过程中有接触并用于传递力的部位，定义接触。
赋于电钻以6261mm/s的速度向刚性墙撞击。并通过调试和计算。完成模型的建立和计算分析，模型见图1。
3．仿真结果分析
1.检查砂漏能在合理范围以内(见图2)
2．通过对比仿真分析的速度时间历程曲线与测定模型样机速度变化（见图3）,比较碰撞过程中的恢复系数碰撞所持续的时间。见表1。恢复系数 e与实际的差异0.6%。碰撞的差异时间为7.3%。偏差小于10%可以进行结构比较。
表1：
初始速度（mm/s）
碰撞后速度（mm/s）
恢复系数 e
碰撞时间Δt（ms）
仿真结果
6261
2032
0.325
1.02
实际测量值
6261
2045
0.327
1.10
3．在下图的两种筋板布置结构中，原方案（见图4 方案一）为十字筋板布置。在传统结构设计中通常对跌落失效后采用增加加强筋已提高强度。由于该部位空间较小,很难再加强。实验中仍表现为失效。（见图
5）通过反复研究仿真的动画提出了方案二。在Patran(前后处理软件)中删除部分筋板很快做成了方案二“T”型加强筋（见图6）。通过分析最大塑性型变3.5%小于材料的最大应变(见图7),最终解决了该电钻的跌落问题。
4．总结
有限元分析已被越来越多的电动工具公司用于开发设计中。它已成为设计方案评估的重要工具。使用MSC.Dytran在设计初
期可有效对设计方案进行验证，及时发现问题。能为设计工程师提供更大的创造空间。尤其是实验与仿真结合在一起,注意检查恢复系数和碰撞持续时间等，随着数据的积累必将促进分析的精度和准确率。在大力加强自主研发的今天，仿真技术必将扮演越来越重要的角色。
参考文献:
[1]《Dytran基础培训教程》.MSC公司
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