硅膠彈性體手感分析及疲勞壽命預測的有限元模擬方法
【專利摘要】本發明公開了一種硅膠彈性體手感分析及疲勞壽命預測的有限元模擬方法，步驟為：對壓頭、硅膠彈性體和PET膜幾何建模并轉化成有限元模型，對有限元模型施加約束、載荷和定義接觸模式并進行網格劃分；設置輸出項后求解計算并分別提取荷重-時間曲線和行程-時間曲線來獲得手感曲線；重新設置輸出項并重新進行求解獲得合成彈性體的應力應變數據；提取應力值后在FE-safe軟件中設置和輸入各參數并定義輸出資料；計算求解并將求解的結果導回Abaqus軟件獲得云圖壽命及應力分布區域數據，本發明能準確全面的模擬和分析出硅膠彈性體的手感和壽命，進而實現硅膠彈性體產品結構設計優化，節省了大量的研發和實驗時間及經費。
【專利說明】硅膠彈性體手感分析及疲勞壽命預測的有限元模擬方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種有限元模擬分析方法，特別涉及一種應用于按鍵硅膠彈性體手感分析及疲勞壽命預測的有限元模擬方法。
【背景技術】
[0002]硅橡膠彈性元件在汽車，電子產品等領域應用的越來越廣，其研發工作也得到了迅猛發展，硅膠彈性元件傳統的開發流程為:依次進行產品設計、開模制造樣品、對樣品進行檢測、不斷的修改模具，最終調整產品至符合要求，該種開發流程造成硅膠彈性元件開發周期長(特別是壽命測試時間)，研發和實驗成本高，其在工作中的風險高，現有數值模擬分析不夠準確，且由于硅橡膠的復雜以及諸多可變因素的影響，使得在優化產品結構設計上有很大困難，單純依靠實驗和操作經驗采用不斷修模的方法耗時間和費資，存在著局限性，難以滿足現在對硅膠彈性元件的高品質追求。
【發明內容】
[0003]為了克服上述缺陷，本發明提供了一種硅膠彈性體手感分析及疲勞壽命預測的有限元模擬方法，該方法能夠準確快速的模擬和分析出硅膠彈性體手感曲線和疲勞壽命數據。
[0004]本發明為了解決其技術問題所采用的技術方案是:一種硅膠彈性體手感分析及疲勞壽命預測的有限元模擬方法，包括以下步驟:
[0005]步驟一:建模:采用計算機建模軟件對壓頭、硅膠彈性體和PET膜(柔性電路板)進行幾何建模；
[0006]步驟二:采用有限元分析軟件將上述幾何模型轉化成有限元模型，并對該有限元模型施加約束、載荷和定義接觸；
[0007]步驟三:對有限元模型進行網格劃分；
[0008]步驟四:設置輸出項:
[0009]步驟五:通過有限元分析軟件對設置輸出項進行求解計算；
[0010]步驟六:根據求解結果，分別提取荷重-時間曲線和行程-時間曲線，并最終通過combine函數合并得到荷重-行程曲線，即手感曲線，然后對比要求的手感曲線進行分析；
[0011]步驟七:重新設置輸出項并重新進行求解計算獲得合成彈性體的應力應變數據輸出ODB計算結果文件；
[0012]步驟八:導入ODB計算結果文件至FE-safe軟件,提取應力值；
[0013]步驟九:在FE-safe軟件中設置材料參數、疲勞算法、極限循環次數、疲勞極限應力和表面粗糙度，并輸入通過實驗提取的S-N曲線(彈性體疲勞壽命曲線)；
[0014]步驟十:設置需加載的載荷譜；
[0015]步驟^^一:定義輸出資料；
[0016]步驟十二:通過有限元分析軟件的求解器進行計算求解，并將求解的結果導回Abaqus軟件獲得云圖壽命及應力分布區域數據，決定手感的合成硅膠彈性體是高度非線性的超彈性材料，本專利在按鍵硅膠彈性體生產制造前，對按鍵硅膠彈性體模型采用被認為在非線性領域最強大的有限元軟件Abaqus軟件和FE-safe疲勞求解軟件結合對按鍵硅膠彈性體進行手感曲線分析和疲勞壽命預測，該分析和預測結果準確，與實際實驗數據一致性高，根據分析和預測結果對按鍵硅膠彈性體設計方案進行優化處理，使得按鍵硅膠彈性體能夠滿足人們對電子及車品按鍵的手感及質量的超高要求，其避免了產品及生產產品模具的反復修改，和頻繁試模，節省了大量和修改試模時間，節省了模具反復修改產生的高額費用，也節省了大量的研發和實驗時間以及費用，實現了按鍵硅膠彈性體的快速、低成本、高質量的設計研發。
[0017]作為本發明的進一步改進，步驟一中先對合成硅膠彈性體進行單軸實驗，并計算出名義應力應變數據，然后利用Abaqus軟件將名義應力應變數據擬合成超彈性M00ney_rivlin本構模型,然后根據Mooney_rivlin本構模型數據賦予所有限元建議的分析模型，其能保證分析模型與實物保持高度一致特性，保證分析的準確性。
[0018]作為本發明的進一步改進,娃膠彈性體采用Mooney_Rivlin本構模型,采用函數表達式為:
If_
[0019]FF (Ii, I1) = Y^Cy / J1 - 5) 1 (I2 - Si 】(I ?:.J -O
[0020]式中:W為應變能密度，(^為Rivlin系數，I1, I2為第1，第2Green應變不變量
[0021]J| = A21 ~ Al + 與(I)
[0022]I2 = (λ ^2)2+(A2A3)^(A3A1)2 ⑶。
[0023]作為本發明的進一步改進,步驟二中采用standard求解器對步驟一中的三維實體幾何模型進行簡化形成二維軸對稱模型，并對該二維軸對稱模型施加約束、載荷和接觸數據。
[0024]作為本發明的進一步改進，所述壓頭材料定義為鋼材，其彈性模量:210000mpa，泊松比:0.3 ；PET膜彈性模量為:2100mpa ;泊松比:0.4 ;接觸模式定義為:兩處剛柔接觸和一處自接觸，采用罰函數摩擦法，罰函數通過法向接觸剛度強制接觸，法向力為:
C C<0
[0025]n
Λ =I ο c>o
[0026]式中Kn為法向接觸剛度:C—根據接觸節點相對于目標平面的位置確定的間隙值。
[0027]作為本發明的進一步改進，步驟七中先對有限元模型進行刪除壓頭和PET膜模型的簡化處理，然后重新進行求解計算，得到合成彈性體的應力應變數據，簡化模型，單獨對彈性體進行按壓分析提取單位時間歷程內應力應變數據，節省計算時間。
[0028]本發明的有益效果是:本發明采用采用有限元軟件Abaqus，首先對按鍵硅膠彈性體進行按壓模擬分析，得到荷重-行程曲線，及手感曲線，然后簡化分析模型單獨對彈性體進行按壓分析提取單位時間歷程內應力應變數據，分析結果輸入FE-safe進行求解得到疲勞壽命數據，其克服了硅膠彈性體的復雜性特點，準確全面的模擬和分析出應用于按鍵的硅膠彈性體的手感和壽命，進而實現硅膠彈性體產品結構設計優化，滿足人們在對硅膠彈性元件的高品質追求，還節省了大量的研發和實驗時間及經費。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1為本發明的有限元模型網格劃分圖；
[0030]圖2為本發明的Mooney_Rivlin本構擬合曲線圖；
[0031]圖3為本發明的第一接觸模式圖；
[0032]圖4為本發明的第二接觸模式圖；
[0033]圖5為本發明的第三接觸模式圖；
[0034]圖6為本發明定義的約束分布圖；
[0035]圖7為本發明的壓頭對硅膠彈性體下壓0.45mm時的求解圖；
[0036]圖8為本發明的壓頭對硅膠彈性體下壓0.7mm時的求解圖；
[0037]圖9為本發明獲得的荷重-時間曲線圖；
[0038]圖10為本發明獲得的行程-時間曲線圖；
[0039]圖11為本發明通過有限元分析數據獲得的荷重-行程曲線圖；
[0040]圖12為實測數據獲得的荷重-行程曲線圖；
[0041]圖13為本發明簡化模型僅對單體硅膠彈性體定義約束分布圖；
[0042]圖14為將abaqus軟件分析獲得的odb文件導入FE-safe軟件圖；
[0043]圖15為在FE-safe軟件中進行參數設置狀態圖；
[0044]圖16為實驗提取的S-N曲線圖；
[0045]圖17為在FE-safe軟件中設置需加載的載荷的歷程系數圖；
[0046]圖18有限元分析軟件獲得的求解結果圖；
[0047]圖19為將求解結果ODB文件導回abaqus軟件獲得的云圖；
[0048]圖20為應力數據分布圖。
[0049]附圖標記說明:
[0050]壓頭I 測試硅膠彈性體——2 PET膜3
[0051]剛體面4柔體面5 自接觸柔體面——6
【具體實施方式】
[0052]實施例:一種硅膠彈性體手感分析及疲勞壽命預測的有限元模擬方法，包括以下步驟:
[0053]1.建立幾何模型:
[0054]因所用彈性體的加載和結構都是軸對稱的，所以可以把三維模型簡化為二維軸對稱模型，單元類型為CAX4H(4節點軸對稱雜交單元)，設置網格全局尺寸:0.15mm;局部應力集中的壁部分劃分局部單分尺寸:0.08?0.1mm ；
[0055]2.定義材料:
[0056]壓頭:鋼材，彈性模量:210000mpa，泊松比:0.3 ；
[0057]PET膜:因PET對結果影響不大采用接近的參數即可，取彈性模量:2100mpa，泊松比:0.4 ；
[0058]娃膠彈性體:采用Mooney_Rivlin本構模型，采用函數表達示為:
[0059]對橡膠類物理非線性材料,常用Mooney-Rivlin模型來描述。
【權利要求】
1.一種硅膠彈性體手感分析及疲勞壽命預測的有限元模擬方法，其特征在于:包括以下步驟: 步驟一:建模:采用計算機建模軟件對壓頭、硅膠彈性體和PET膜進行幾何建模； 步驟二:采用有限元分析軟件將上述幾何模型轉化成有限元模型，并對該有限元模型施加約束、載荷和定義接觸模式； 步驟三:對有限元模型進行網格劃分； 步驟四:設置輸出項: 步驟五:通過有限元分析軟件對設置輸出項進行求解計算； 步驟六:根據求解結果，分別提取荷重-時間曲線和行程-時間曲線，并最終通過combine函數合并得到荷重-行程曲線，即手感曲線，然后對比要求的手感曲線進行分析； 步驟七:重新設置輸出項并重新進行求解計算獲得合成彈性體的應力應變數據輸出ODB文件； 步驟八:導入ODB文件至FE-safe軟件，提取應力值； 步驟九:在FE-safe軟件中設置材料參數、疲勞算法、極限循環次數、疲勞極限應力和表面粗糙度，并輸入通過實驗提取的S-N曲線； 步驟十:設置需加載的載荷譜； 步驟^^一:定義輸出資料； 步驟十二:通過專業疲勞分析軟件FE - SAFE的求解器進行計算求解，并將求解的結果導回Abaqus軟件獲得壽命數據和應力分布區域云圖。
2.根據權利要求1所述的硅膠彈性體手感分析及疲勞壽命預測的有限元模擬方法，其特征在于:步驟一中先對合成硅膠彈性體進行單軸實驗，并計算出名義應力應變數據，然后利用Abaqus軟件將名義應力應變數據擬合成超彈性Mooney_rivlin本構模型,然后通過計算機建模軟件進行模型分析和幾何建模，并將Mooney_rivlin本構模型數據賦予模型。
3.根據權利要求1所述的硅膠彈性體手感分析及疲勞壽命預測的有限元模擬方法，其特征在于:硅膠彈性體采用Mooney_Rivlin本構模型,采用函數表達式為:
式中:W為應變能密度，Cij為Rivlin系數，I1, I2為第1，第2Green應變不變量 I = I~y Ag
I2= ( λ j λ 2)2+ ( λ 2 λ 3)2+ ( λ 3 λ j)2⑶。
4.根據權利要求1所述的硅膠彈性體手感分析及疲勞壽命預測的有限元模擬方法，其特征在于:步驟二中采用abaqus軟件自帶的standard求解器進行求解,對步驟一中的三維實體幾何模型進行簡化形成二維軸對稱模型，并對該二維軸對稱模型施加約束、載荷和接觸數據。
5.根據權利要求1或4所述的硅膠彈性體手感分析及疲勞壽命預測的有限元模擬方法，其特征在于:所述壓頭材料定義為鋼材，其彈性模量:210000mpa，泊松比:0.3 ;PET膜彈性模量為:2100mpa ;泊松比:0.4 ;接觸模式定義為:兩處剛柔接觸和一處自接觸,采用罰函數摩擦法，罰函數通過法向接觸剛度強制接觸相，法向力為:
式中Kn為法向接觸剛度:c—根據接觸節點相對于目標平面的位置確定的間隙值。
6.根據權利要求1所述的硅膠彈性體手感分析及疲勞壽命預測的有限元模擬方法，其特征在于:步驟七中先在有限元軟件abaqus中對有限元模型進行刪除壓頭和PET膜模型的簡化處理，然后重新進行求解計算，得到合成彈性體的應力應變數據輸入專業疲勞分析軟件FE - safe中進行疲勞分析求解。
【文檔編號】G06F17/50GK104182585SQ201410422591
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月26日 優先權日:2014年8月26日
【發明者】許逢庭, 周克松 申請人:昆山高健電子工業有限公司