透過模擬分析,實現設計功能更強大的行動設備

士盟科技-部落格圖片

手持式設備,在我們的日常生活中扮演著重要的角色,可能因掉落、弄濕、暴露在極熱環境中等的意外情況下,導致內部零件損壞。尤其是智能手機經常發生螢幕破裂損壞。因此,製造商正在努力使智能手機的材料更堅固、防水性更佳,同時又要考量消費者希望的薄輕巧的使用特性。

智能手機除了需要耐用、輕便和外觀有吸引力之外,消費者也越來越關注產品使用的耐久度與持續性。有些消費者甚至希望手機要經久耐用、可回收並允許在家維修,而不是一次又一次地購買新手機。現在為了因應市場變化,有些商家正引入“維修權”法規,以評估產品的可維修性和最短使用壽命。

由於需求日益嚴苛,以及購買的智能手機數量龐大,製造商可能難以通過物理測試來滿足其 KPI。然而,虛擬仿真可以在進行產品設計時,在沒有原型的情況下進行電腦仿真測試,使工程師能夠更早地評估設計理念。通過使用實驗設計 (DOE),仿真可以自動執行數百、甚至數千次的虛擬測試。這些 DOE 可以分析具有不同參數(如玻璃厚度、角半徑和框架厚度)以及材料特性等的虛擬設備。

SIMULIA 開發了許多工作流程,這些使用虛擬孿生(virtual twin) 的工作流程來進行手機的虛擬測試。這些工作流程包括:

  • 組裝應力,用於評估製造和組裝過程對設備造成的應力。
  • 跌落測試,測試不同的設計參數,以找到一種既輕巧又能夠承受日常落摔的設計。
  • 三點彎曲,模擬將設備放入口袋或踩踏時,可能發生的破壞性彎曲現象。
  • 防水性,衡量設備在密封件洩漏之前,可以承受多少水壓。

如果在隨後的仿真工作流程中沒有考慮到裝配的應力,則會導致產品早期使用的故障。在模擬中,輸入載荷的項目包括:設備各個部件的 3D 幾何形狀、來自零件製造的應力、以及將部件固定在一起的螺栓、夾具和粘合劑等資料。輸出包括:變形輪廓、Von Mises 應力輪廓和塑性應變輪廓等資料。如果應力超過規定的限制,則可以輕鬆快速地評估和糾正問題。

用戶使用設備時偶而會掉落地上,如何能夠承受這些偶發情況,而不會造成設備零件的重大損壞。跌落測試主要是想找到一種夠穩健的設計、能夠經受住日常跌落,同時又能滿足設計的 KPI。跌落測試模擬可以使用 DOE 方法改變設計參數,例如:材料成分、螢幕玻璃厚度、手機後蓋厚度、框架厚度、角半徑和屏幕保護膜襯裡的寬度。結果包括:變形輪廓、Von Mises 應力輪廓和塑性應變輪廓,以及變形和3D幾何開裂的現象。

除了落摔之外,智能手機還可能被意外踩到,或者是用戶更頻繁的放入口袋坐下時。用這種使用習慣彎曲手機,會影響內部電子零件,甚至使設備外觀永久變形。通過將產品置於三個金屬棒之間的力,來測試設備彎曲的可能性,或者用虛擬測試,讓滾子參考點產生反作用力。模擬可以評估設備在永久變形或內部損壞之前,可以承受的最大彎曲力。

防水性是衡量設備在其密封件洩漏之前,可以承受多少水壓。不僅智能手機可以掉入水中,智能手錶和健身追踪器等其他設備,也經常在游泳時佩戴。設備的密封件和夾具,可以在仿真軟件中建模並承受給予的水壓力。如此得出密封件的變形,以及它是否滑動或變形彎曲。如果檢測出密封失效,可以即時進行設計變更,提高產品的性能並滿足要求。