Моделирование физических процессов при разработке электроники: почему и для чего?
Разработка корпусов для электроники — одна из наших любимых тем на Хабре. Мы уже рассказывали о роли промдизайна, разработке конструкции и производстве прототипов, но пока не затрагивали одну из самых интересных и важных тем — испытания спроектированных устройств, как виртуальные, так и реальные.
Выдержит ли корпус удар в трех плоскостях? Деформируется при экстремальных температурах? Хорошо ли продумана внутренняя система охлаждения электроники? Ответить на эти вопросы можно двумя способами. Первый: провести испытания готового устройства (прототипа) в реальной жизни и по результатам отправить его на доработку. Второй: провести виртуальное моделирование физических процессов и скорректировать проблемные места на этапе разработки. Это гораздо быстрее и эффективнее, так можно получить рабочие прототипы уже на первой итерации. Давайте рассмотрим оба варианта на реальных проектах…
1. Проверка надёжности крепления корпуса
Начнем с устройства для отправки сигнала SOS, которое встраивается в салон автомобиля. По условиям технического задания оно должно крепиться на защелках, использовать винты запрещено.
Рис. 1. SOS-устройство в салоне авто (лицевая сторона)
В процессе разработки решено смоделировать столкновение транспортного средства с преградой. Цель — сохранить работоспособность устройства после аварии, и обезопасить пассажиров (ведь они не хотят получить травму из-за того, что устройство выскочило из крепления).
Вот так устройство выглядит с внутренней стороны приборной панели авто:
Рис. 2. Корпус SOS-устройства (внутренняя сторона)
Что же произойдет при столкновении? Используется довольно мощное крепление, посмотрите на защелки. Нужно ли моделировать?
Расчет решено сделать в 2 этапа, чтобы учесть усилие прижима защелок:
- Вставка устройства в панель в салоне автомобиля.
- Столкновение.
На двух анимированных иллюстрациях ниже показан процесс защелкивания в различных ракурсах. В жизни это будет немного иначе, но при моделировании желательно максимально упростить задачу в разумных пределах. Главное — учесть преднатяг защелки.
Рис 3. Моделирование процесса защелкивания (снаружи)
Рис 4. Моделирование процесса защелкивания (в разрезе)
Из анимации видно, что защелка сначала проходит сквозь деталь. Такую хитрость можно и даже нужно делать при упрощении задачи. В нашем расчете контакт деталей был включен позже.
Далее — моделирование процесса столкновения автомобиля с препятствием с учетом преднатяга защелок, т.е. наш первый расчет переносится во второй:
Рис. 5. Вылет устройства из приборной панели в результате ДТП
После таких результатов на изделие уже смотришь совсем другим взглядом. Обратите внимание, какой образован рычаг в конструкции.
На этом проекте всё уже было готово к производству прототипов. Поджимали сроки. Никто не ожидал таких результатов. По итогам моделирования мы вовремя приостановили производство прототипов. На одну итерацию стало меньше, сэкономлены деньги заказчика.
Мы внесли изменения в конструкцию, в результате которых вылет устройства стал значительно меньше за счет подбора новых компонентов на плате. Также было скорректировано крепление нижней части устройства.
Ещё один пример моделирования на этом проекте — расчеты на дефекты литья пластмассы (литьё под давлением). Они позволили подобрать оптимальные материалы и сделать детали более технологичными. В результате был получен отчет о возможных утяжинах при запуске изделия в серийное производство. Также проведен расчет на остаточные напряжения в отливке.
Такие дефекты чаще всего возникают из-за неравномерного охлаждения отливки, и зависят от материала изделия. В дальнейшем они могут привести к появлению трещин и полному разрушению корпуса. Вы могли сталкиваться с таким явлением, если наблюдали, как пластиковое изделие начинает трескаться через определенное время.
2. Пластиковые корпусы: дефекты отливки
А теперь давайте перейдем к следующему проекту. Ниже представлена фотография элемента пластикового корпуса, который производится серийно.
Рис. 6
А это — результаты моделирования его отливки (с лицевой стороны изделия проблем не видно):
Рис. 7
Скорее всего, вы уже видели подобные дефекты на пластике. В данном случае он расположен только на внутренней стороне, но все же заказчик должен знать об этих дефектах. Вы наверняка заметили, что известные бренды не допускают подобных проблем в своих продуктах.
Как видите, результаты моделирования не совпадают на все 100 процентов с реальностью, но общая картина все-таки схожа. В серийном производстве одна отливка может отличаться от другой, это нормальное явление.
Некоторые изделия могут оказаться с дефектом по вине изготовителя. С помощью САЕ-системы можно дать рекомендации производителю и так уменьшить количество итераций с его стороны. Именно так мы и поступили в данном проекте, в результате проблема была решена в короткий срок. И изделие стало выпускаться серийно без видимых дефектов не только снаружи, но изнутри тоже.
Ещё один пример. На рисунке ниже показана анимация заливки изделия. В расчете учитывалась литниковая система, система охлаждения пресс-формы ну и сама пресс-форма:
Рис. 8
Дефект отливки выделен красным цветом:
Рис. 9
Этот дефект чётко виден и на фотографии:
Рис. 10
3. Краш-тесты электроники
Испытания на прочность — популярная тема в обзорах планшетов и смартфонов. Часто на форумах обсуждают, будет ли работать устройство после случайного падения.
Мы тоже проводим такие тесты в процессе разработки потребительской электроники. Возьмём в качестве примера шлюз Bluetooth:
Рис. 11
При падении с высоты 1,2 метра устройство должно быть в первозданном состоянии, это было одно из требований заказчика. В техническом задании были отмечены возможные проблемные места, в которых устройство могло сломаться. Мы провели 7 расчетов и получили положительные результаты. На рисунке ниже показан один из результатов расчетов:
Рис. 12
После изготовления прототипов мы ещё раз провели испытания, на этот раз — падение устройства в реальной жизни. Результаты — снова положительные.
Стоит учитывать, что фрезерованные прототипы по физическим характеристикам немного отличаются от серийных корпусов, которые производятся методом отливки — при фрезеровке в изделии остаются остаточные напряжения. Однако и в этом случае лучше произвести испытания.
После анализа полученных прототипов было принято решение немного усилить корпус, добавив в конструкцию ребра. После моделирования эффекта нажатия пальцем на корпус жесткость устройства должна была увеличиться приблизительно на 30 процентов:
Рис. 13
Вторым этапом стал заказ новых прототипов.
После испытаний на устойчивость к падению устройство, тем не менее, стало ломаться, чего никто не ожидал:
Рис. 14
Такой вот ценный опыт. Хорошо, что корпус еще не был запущен в серийное производство.
Решено провести повторное моделирование и сравнить результаты с практикой. И действительно, программа показала это новое проблемное место:
Рис. 15
Решено убрать отдельные ребра. После очередного моделирования получены положительные результаты.
Вывод — при любом изменении конструкции нужно обязательно делать повторные расчеты, а компьютерное моделирование физических процессов помогает сэкономить время и деньги при разработке электронике. Уж лучше проверять корпус на прочность в системах инженерного анализа, а не в реальной жизни.
[?!] Вопросы и комментарии приветствуются. На них будет отвечать наш инженер-конструктор Максим Кендысь, эксперт по моделированию изделий из пластмассы и металла в системах инженерного анализа (CAE).
