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基于 Ansys workbench 的卡扣插拔力仿真分析

2022-03-24

內容大綱：概述卡扣仿真分析的難點卡扣插入力仿真的分析方法傳統靜力學分析帶約束方程的靜力學分析具有非線性穩定性的靜力學分析低速動力學分析卡扣拔出力仿真的分析方法傳統靜力學分析顯式動力學分析結論概述卡扣是一種簡單、快速且具有成本效益的方法，可以組裝兩個零件，尤其是塑料零件。卡扣配合提供了多次組裝和拆卸的靈活性，而不會對組裝產生任何不利影響。然而，這需要該連接元件的適當設計。設計手冊通常提供良好的設計程序，但隨著設計變得越來越復雜，用有限元分析模擬卡扣插拔過程成為未來發展趨勢。本文針對卡扣與卡槽配合面的不同幾何形狀，通過采用Ansys workbench不同的仿真分析方法，有效的解決了卡扣插拔力仿真分析的問題。塑料卡扣的結構卡扣仿真分析的難點卡扣是一種簡單、快速且具有成本效益的方法，可以組裝兩個零件，尤其是塑料零件。卡扣配合提供了多次組裝和拆卸的靈活性，而不會對組裝產生任何不利影響。然而，這需要該連接元件的適當設計。設計手冊通常提供良好的設計流程，但隨著設計變得越來越復雜，有限元分析正成為模擬這些特征的一種有效方法。做卡扣插拔力仿真分析時時面臨的一些主要難點是：非線性摩擦接觸最大偏轉后的不穩定相位材料非線性大變形非線性在下一節中，在解決上述挑戰的同時，對卡扣分析進行建模的不同方法。卡扣插拔仿真卡扣插入力仿真的分析方法1 傳統的靜力學分析方法1：傳統的靜力學分析傳統的靜力學分析設置包括具有大變形效應的非線性接觸的定義。用戶可以選擇包括材料非線性。任何卡扣插入過程都有兩個階段：母端張開。公端在空腔或凹陷中咬合。第 1 階段很容易設置和分析，因為問題已經準備好了并且沒有不穩定性。在許多情況下，階段 2 會產生收斂問題，特別是對于圖 3所示的情況。在這種情況下，不是逐漸傾斜的倒角，而是深度的突然變化，導致存儲的應變能突然釋放。技巧和竅門：如果會合部分具有逐漸傾斜的坡度，則可以使用這種方法。零件之間使用正確的摩擦系數，使運動有一定的阻力，不會突然運動。在移動部件上使用位移控制加載而不是力加載。使用代表兩個階段的兩個載荷步。第1階段更容易收斂，因此可以定義更大的子步驟。然而，需要為階段 2 載荷步定義大量子步。從線彈性材料開始。然而，如果應力進入塑性或非線性區域，那么選擇非線性模型將有助于收斂。方法1：問題描述目標：對零件進行卡扣模擬模擬，如下圖所示。需要考慮的要點：會合部分具有漸變斜率，因此在這種情況下可以使用傳統的靜力學分析。由于坡度逐漸增大，拉出試驗模擬也得到了解決。位移控制裝載用于展開和拉出箱。考慮線性材料。零件之間采用摩擦接觸。方法1：模型建立方法1：分析結果卡扣插入力仿真的分析方法2 帶約束方程的靜力學分析方法2：帶約束方程的靜力學分析之前的的方法1主要適用于在下降側有倒角的情況，但是當沒有這種傾斜坡度時，在階段 1 和階段 2 的開始階段會有一段非常低的剛度，這會導致收斂問題。非線性接觸也會導致收斂困難。這通常發生在兩個接合部件的材料非常堅硬，因此部件之間的接觸力非常高導致收斂困難問題時。這種情況可以使用約束方程來處理。技巧和竅門：1.卡扣配合過程是一個很好的例子，其中在 x 方向的位移量（圖 6）和在“Y”方向發生的“推”量之間存在定義的關系。2.如果已知這種關系，則可以使用“約束方程”。這將有助于解決由此引起的滑動接觸和收斂問題。3.優點：這可以預測零件中的正確應力分布。4.缺點：如果插入力分布是感興趣的，那么這將給出不正確的結果，因為沒有考慮摩擦接觸效應。方法2：問題描述目標：使用方法 2 對零件進行卡扣插入模擬，如下圖所示。需要考慮的要點：會合部分沒有傾斜坡度，因此在這種情況下不能使用傳統的靜力學分析。在這種情況下使用約束方程方法。使用位移控制加載。考慮線性材料。零件之間采用摩擦接觸。方法2：模型建立定義了三個遠程點，然后使用約束方程將它們連接起來，以模擬卡扣插入彎曲的過程。約束方程：該模型在代表卡扣插入過程的兩個階段的兩個載荷步中求解。在第二步中，使用命令片段刪除約束方程以表示第二階段的“插入”現象。方法2：分析結果卡扣插入力仿真的分析方法3 具有非線性穩定性的靜力學分析方法3：具有非線性穩定性的靜力學分析卡扣插入過程的第 2 階段可能具有不穩定性，尤其是當下降側沒有過渡圓角時。解決這種不穩定性的另一種方法是使用“非線性穩定”功能。ANSYS 中的非線性穩定可以被認為是向系統中的所有節點添加人工阻尼器。在臨界載荷之前，系統在給定的時間步長內可能具有低位移——這可以被認為是低偽速度，因此來自人工阻尼器的阻力較小。當發生不穩定性時，在較小的時間步長內會發生較大的位移，從而產生較大的偽速度和較大的阻力。因此，極限點處的剛度矩陣不是奇異的。路徑 OACD 是可追溯的。?技巧和竅門：非線性穩定適用于以下情況：下降側沒有傾斜坡度的卡扣。需要準確預測插入力分布。能量法（Energy）是此類情況的首選。在移動部件上使用位移控制加載而不是力加載。使用代表兩個階段的兩個載荷步。第1階段更容易收斂，因此可以定義更大的子步驟。然而，需要為階段 2 載荷步定義大量子步。僅在第二步中定義非線性穩定。從“能量耗散比”(EDR) 的默認值開始，并以 10 倍的系數逐漸增加。使用手動重啟控制在每個載荷步結束時保存重啟點。這將有助于在第一步（階段 1）結束時使用不同的 EDR 值重新開始分析，從而節省時間。檢查穩定能與應變能，以確保它是它的一小部分。方法3：問題描述目標：使用方法 3 對零件進行卡扣模擬仿真，如下圖所示。需要考慮的要點：會合部分沒有傾斜坡度，因此在這種情況下不能使用傳統的靜力學分析。在這種情況下使用非線性穩定方法。使用位移控制加載。考慮線性材料。零件之間采用摩擦接觸。方法3：模型建立方法3：分析設置非線性穩定在第二步中被激活，如下圖所示：方法3：分析結果卡扣插入力仿真的分析方法4 低速動力學分析方法4：低速動力學分析將卡扣插入過程作為動態分析解決有助于克服過程階段的不穩定性。因此結構響應可以在最大彎曲點之后求解，因為慣性項的包含不再使矩陣奇異。技巧和竅門當非線性穩定方法導致高穩定能量/力時，通常選擇此選項。使用代表兩個階段的兩個載荷步。第1階段更容易收斂，因此可以定義更大的子步驟。然而，需要為階段 2 載荷步定義大量子步。在第1步中關閉“時間積分”。這有助于將分析作為第1步的靜力學分析求解，從而更快地求解。開啟第2步。定義全局阻尼比并進行迭代，這有助于獲得解決方案。然而，有時默認的慢動力學程序有時可能需要非常高的阻尼，以便將結果與導致錯誤結果的非常大的突然位移收斂。因此，為了克服這個問題，阻尼器只能應用在發生較大位移的表面上，從而僅在小面積上產生阻力。方法4：問題描述目標：使用方法 4 對零件進行卡扣插入仿真，如下圖所示。需要考慮的要點：會合部分沒有傾斜坡度，因此在這種情況下不能使用傳統的靜力學分析。在這種情況下使用非線性穩定方法。使用位移控制加載。考慮線性材料。零件之間采用摩擦接觸。方法4：模型建立方法4：分析結果卡扣拔出力仿真的分析方法卡扣拔出力仿真的分析方法1 傳統靜力學分析方法1：傳統靜力學分析對于空腔內側有傾斜坡度的情況，可以采用傳統的靜力分析來模擬拉拔試驗時。技巧和竅門與卡扣插入仿真相同。然而，對于空腔內側沒有傾斜坡度的情況，靜態模擬會給收斂帶來很多問題。卡扣拔出力仿真的分析方法2 顯式動力學分析方法2：顯式動力學分析顯式動力學設置可以克服在傳統靜態結構設置期間通常遇到的大多數收斂問題，包括接觸和極端扭曲。技巧和竅門：使用位移控制加載。使用質量縮放 [1] 來加快求解時間，但要跟蹤系統中的動能，因為目標是模擬準靜態現象，因此慣性效應應該最小。與系統的內能相比，動能應該很小。時間縮放 [2] 也可以與質量縮放結合使用以獲得最佳性能。使用帶有沙漏控制的四邊形或六邊形單元是可能的，因為它們提供了最短的求解時間。但是，如果沙漏太嚴重，則切換到三角形或四邊形單元。[1] 質量縮放是一個自動化程序，其中代碼通過增加控制時間步長的特定元素的密度來增加時間步長。用戶指定最小時間步長，并且那些時間步長小于該值的元素的密度增加到時間步長等于該值的點。[2] 時間縮放是一種通過減少模擬結束時間來加速準靜態模擬的方法，還可以調整施加的位移或力加載，使其產生最小的加速度。由于結束時間減少，仿真求解速度更快。這也可以與大規模縮放一起使用以獲得最佳性能。方法2：問題描述目標：模擬卡扣零件的拔出試驗。需要考慮的要點：使用位移控制加載。考慮線性材料。零件之間采用摩擦接觸。為了顯示顯式動力學在這種情況下的適用性，使用傳統的靜力學分析和顯式動力學來解決這個問題。方法2：模型建立方法2：分析設置方法2：分析結果結論傳統的靜力學分析適用于有傾斜坡度卡扣的插拔仿真分析，其模型簡單，求解速度快。帶約束方程的靜力學分析和具有非線性穩定性的靜力學分析適用于有/沒有傾斜坡度卡扣的插拔仿真分析，其模型復雜程度和求解速均一般。低速動力學分析和顯式動力學分析適用于有/沒有傾斜坡度卡扣的插拔仿真分析，其模型較復雜，求解速度較慢。塑料卡扣看似結構非常簡單，但要精確的仿真其插拔過程很不容易。這里只探討了卡口配合面傾斜坡度對卡口插拔仿真分析的影響。另外，設計和仿真分析卡扣時，卡口的其他很多因素也會影響卡扣的插拔仿真分析結果（如：卡扣材料、截面形狀、卡扣長度、卡槽寬度、倒角大小、表面粗糙度等諸多因素都會對卡孔變形、應力、插拔力、接觸力等結果產生影響）。

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淺談PCB抗干擾設計

2022-03-22

現在，雖然有很多軟件可以實現PCB自動布局布線。但是隨著信號頻率不斷提升，很多時候，工程師需要了解有關PCB布局布線的基本的原則和技巧，才可以讓自己的設計完美無缺。如，電路抗干擾設計，今天我們就來聊聊抗干擾設計原則。抗干擾設計的基本任務是系統或裝置既不因外界電磁干擾影響而誤動作或喪失功能，也不向外界發送過大的噪聲干擾，以免影響其他系統或裝置正常工作。因此提高系統的抗干擾能力也是該系統設計的一個重要環節。一、PCB設計原則根據我個人多年工作在實際項目中的經驗積累、實戰、實踐等；電路抗干擾設計要遵循的以下幾個基本原則：1.1 電源線的設計（1）選擇合適的電源；（2）盡量加寬電源線；（3）保證電源線、底線走向和數據傳輸方向一致；（4）使用抗干擾元器件；（5）電源入口添加去耦電容（10~100uf）。1.2 地線的設計（1）模擬地和數字地分開；（2）盡量采用單點接地；（3）盡量加寬地線；（4）將敏感電路連接到穩定的接地參考源；（5）對pcb板進行分區設計，把高帶寬的噪聲電路與低頻電路分開；（6）盡量減少接地環路（所有器件接地后回電源地形成的通路叫“地線環路”）的面積。1.3 元器件的配置（1）不要有過長的平行信號線；（2）保證pcb的時鐘發生器、晶振和cpu的時鐘輸入端盡量靠近，同時遠離其他低頻器件；（3）元器件應圍繞核心器件進行配置，盡量減少引線長度；（4）對pcb板進行分區布局；（5）考慮pcb板在機箱中的位置和方向；（6）縮短高頻元器件之間的引線。1.4 去耦電容的配置（1）每10個集成電路要增加一片充放電電容（10uf）；（2）引線式電容用于低頻，貼片式電容用于高頻；（3）每個集成芯片要布置一個0.1uf的陶瓷電容；（4）對抗噪聲能力弱，關斷時電源變化大的器件要加高頻去耦電容；（5）電容之間不要共用過孔；（6）去耦電容引線不能太長。1.5 降低噪聲和電磁干擾原則（1）盡量采用45°折線而不是90°折線（盡量減少高頻信號對外的發射與耦合）；（2）用串聯電阻的方法來降低電路信號邊沿的跳變速率；（3）石英晶振外殼要接地；（4）閑置不用的門電路不要懸空；（5）時鐘垂直于IO線時干擾小；（6）盡量讓時鐘周圍電動勢趨于零；（7）IO驅動電路盡量靠近pcb的邊緣；（8）任何信號不要形成回路；（9）對高頻板，電容的分布電感不能忽略，電感的分布電容也不能忽略；（10）通常功率線、交流線盡量在和信號線不同的板子上。1.6 其他設計原則（1）CMOS的未使用引腳要通過電阻接地或電源；（2）用RC電路來吸收繼電器等原件的放電電流；（3）總線上加10k左右上拉電阻有助于抗干擾；（4）采用全譯碼有更好的抗干擾性；（5）元器件不用引腳通過10k電阻接電源；（6）總線盡量短，盡量保持一樣長度；（7）兩層之間的布線盡量垂直；（8）發熱元器件避開敏感元件；（9）正面橫向走線，反面縱向走線，只要空間允許，走線越粗越好（僅限地線和電源線）；（10）要有良好的地層線，應當盡量從正面走線，反面用作地層線；（11）保持足夠的距離，如濾波器的輸入輸出、光耦的輸入輸出、交流電源線和弱信號線等；（12）長線加低通濾波器。走線盡量短接，不得已走的長線應當在合理的位置插入C、RC、或LC低通濾波器；（13）除了地線，能用細線的不要用粗線。二、布局布線2.1 布線寬度和電流（1）一般寬度不宜小于0.2.mm（8mil)；（2）在高密度高精度的pcb上，間距和線寬一般0.3mm(12mil)；（3）當銅箔的厚度在50um左右時，導線寬度1~1.5mm(60mil) = 2A；（4）公共地一般80mil,對于有微處理器的應用更要注意。2.2 電源線電源線盡量短，走直線，最好走樹形，不要走環形。2.3 布局首先，要考慮PCB尺寸大小。PCB尺寸過大時，印制線條長，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加;過小，則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。在確定PCB尺寸后.再確定特殊元件的位置。最后，根據電路的功能單元，對電路的全部元器件進行布局。在確定特殊元件的位置時要遵守以下原則：（1）盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設法減少它們的分布參數和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨得太近，輸入和輸出元件應盡量遠離。（2）某些元器件或導線之間可能有較高的電位差，應加大它們之間的距離，以免放電引出意外短路。帶高電壓的元器件應盡量布置在調試時手不易觸及的地方。（3）重量超過15g的元器件、應當用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、發熱量多的元器件，不宜裝在印制板上，而應裝在整機的機箱底板上，且應考慮散熱問題。熱敏元件應遠離發熱元件。（4）對于電位器、可調電感線圈、可變電容器、微動開關等可調元件的布局應考慮整機的結構要求。若是機內調節，應放在印制板上方便于調節的地方;若是機外調節，其位置要與調節旋鈕在機箱面板上的位置相適應。（5）應留出印制扳定位孔及固定支架所占用的位置。根據電路的功能單元對電路的全部元器件進行布局時，要符合以下原則：（1）按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致的方向。（2）以每個功能電路的核心元件為中心，圍繞它來進行布局。元器件應均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上.盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。（3）在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數。一般電路應盡可能使元器件平行排列。這樣，不但美觀.而且裝焊容易.易于批量生產。（4）位于電路板邊緣的元器件，離電路板邊緣一般不小于2mm。電路板的最佳形狀為矩形。長寬比為3：2成4：3。電路板面尺寸大于200x150mm時.應考慮電路板所受的機械強度。2.4 布線布線的原則如下：（1）輸入輸出端用的導線應盡量避免相鄰平行。最好加線間地線，以免發生反饋藕合。（2）印制攝導線的最小寬度主要由導線與絕緣基板間的粘附強度和流過它們的電流值決定。當銅箔厚度為0.05mm、寬度為 1 ~ 15mm 時.通過 2A的電流，溫度不會高于3℃，因此.導線寬度為1.5mm可滿足要求。對于集成電路，尤其是數字電路，通常選0.02~0.3mm導線寬度。當然，只要允許，還是盡可能用寬線.尤其是電源線和地線。導線的最小間距主要由最壞情況下的線間絕緣電阻和擊穿電壓決定。對于集成電路，尤其是數字電路，只要工藝允許，可使間距小至5~8mm。（3）印制導線拐彎處一般取圓弧形，而直角或夾角在高頻電路中會影響電氣性能。此外，盡量避免使用大面積銅箔，否則.長時間受熱時，易發生銅箔膨脹和脫落現象。必須用大面積銅箔時，最好用柵格狀.這樣有利于排除銅箔與基板間粘合劑受熱產生的揮發性氣體。2.5 焊盤焊盤中心孔要比器件引線直徑稍大一些。焊盤太大易形成虛焊。焊盤外徑D一般不小于(d+1.2)mm，其中d為引線孔徑。對高密度的數字電路，焊盤最小直徑可取(d+1.0)mm。2.6 PCB及電路抗干擾措施印制電路板的抗干擾設計與具體電路有著密切的關系，這里僅就PCB抗干擾設計的幾項常用措施做一些說明。2.7 電源線設計根據印制線路板電流的大小，盡量加粗電源線寬度，減少環路電阻。同時、使電源線、地線的走向和數據傳遞的方向一致，這樣有助于增強抗噪聲能力。2.8 地線設計地線設計的原則是：（1）數字地與模擬地分開。若線路板上既有邏輯電路又有線性電路，應使它們盡量分開。低頻電路的地應盡量采用單點并聯接地，實際布線有困難時可部分串聯后再并聯接地。高頻電路宜采用多點串聯接地，地線應短而粗，高頻元件周圍盡量用柵格狀大面積地箔。（2）接地線應盡量加粗。若接地線用很細的線條，則線路阻抗會出現較大變化，大電流流過時會導致接地電位出現較大變化，使抗噪性能降低。因此應將接地線加粗，使它能通過三倍于印制板上的允許電流。如有可能，接地線應在2~3mm以上。（3）接地線構成閉環路。只由數字電路組成的印制板，其接地電路布成團環路大多能提高抗噪聲能力。2.9 退藕電容配置PCB設計的常規做法之一是在印制板的各個關鍵部位配置適當的退藕電容。退藕電容的一般配置原則是：（1）電源輸入端跨接10~100uf的電解電容器。如有可能，接100uF以上的更好。（2）原則上每個集成電路芯片都應布置一個0.01pF的瓷片電容。（3）對于抗噪能力弱、關斷時電源變化大的器件，如 RAM、ROM存儲器件，應在芯片的電源線和地線之間直接接入退藕電容。（4）電容引線不能太長，尤其是高頻旁路電容不能有引線。既使在整個PCB板中的布線完成得都很好，但由于電源、地線的考慮不周到而引起的干擾，會使產品的性能下降，有時甚至影響到產品的成功率。所以對電源、地線的布線要認真對待，把電、地線所產生的噪音干擾降到最低限度，以保證產品的質量。小結綜上所述，PCB電路設計都是通過大量實踐檢驗的，通過反復實驗、測試驗證獲得了較為理想的抗干擾設計效果。因此，良好的pcb布線以及線路板布局會強化抗干擾能力，在具體電路調試階段，所形成的影響不可或缺，能夠保證pcb布線的科學性以及合理性。通常來說，采用以上介紹的抗干擾措施，可消除PCB板90%左右的常見干擾。但由于硬件的可靠性及設備的復雜性函數，要消除一些特殊的、小概率的干擾，就要采用特殊的、更復雜的硬件抗干擾電路。過多釆用硬件抗干擾措施，會明顯提高產品的成本，增加硬件數量，也會帶來新的干擾，導致系統的可靠性下降。所以應根據設計條件和目標要求，合理采用硬件抗干擾措施，提高系統的抗干擾能力。

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