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:

    1. Вставка устройства в панель в салоне автомобиля.
    2. 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).
    Поделиться публикацией
    Комментарии 48
      0
      Проводились ли в реальности тесты на удары для блока отправки сигнала SOS (как для шлюза)? Насколько модель соответствует действительности?
      Почему понадобилось второе моделирование для шлюза? При первом проблемное место не было видно?
        +2
        Почему понадобилось второе моделирование для шлюза? При первом проблемное место не было видно?

        Как я понял после первого моделирования были добавлены рёбра жёсткости и после этого не проводили повторное моделирование, сразу сделали корпус в пластике, а он хряпнул. И только потом провели повторное моделирование.
          +1
          Испытания блока отправки сигнала SOS проводил заказчик. Фидбэка от него не было, но по моему опыту, если не было, то в 99,9% случаев, все норм. По поводу шлюза, как правильно отметил blik13 ребра перенаправили энергию удара в другую сторону, вот и получился плачевный результат.
            +3
            По моему опыту зачастую если нет фидбека, то заказчик просто не пробовал что-то делать/тестировать.
              0
              Странный опыт. В автомотив проектах такого не должно быть.
              0
              Если фитбека нет, то вас могут не хило подставить. Например в последний или очень не подходящий момент этот фитбек дать (не положительный).

              Поэтому по правильной культуре общения с заказчиком надо интересоваться самому и предлагать сделать тесты и тд… А то у нас любят все сваливать друг на друга.
                0
                Этот проект я сделал 5 лет назад))
                  0
                  Я про будущее и настоящее говорю
          +1
          На рисунке 15 у вас не слишком мало треугольников? Обычно рекомендуют не меньше 4х на самую тонкую стенку, а у вас там всего два или три. Тем более у вас там концентратор.
            +1
            Там сетка по толщине стенки измельчена. Все норм. А, вообще зависит от решателя.
              +1
              Не забывайте учитывать фактор отношения максимальной длины к минимальной для элемента. Неважно для какого: призма или тетраэдр.

              Хотя для приблизительной качественной оценки и так сойдет.
                0
                Это как раз и есть тот случай. Я, увидел плохой результат на практике и сделал упрощенный расчет, чтоб свериться.
                  0
                  Ну это надо смотреть как ещё нагрузка и закрепление расположены, может и большое отношение вполне нормально работать.
              +1
              В каких программных продуктах производилось моделирование?
                0
                Эта статья не про то, в каких продуктах моделировать. Можно в Ansys, LS-Dyna, Abaqus и т.д. и т.п. На многих форумах спорят на этот счет. Все зависит от специалиста, который в них моделит. У каждого свои секреты и ноу-хау, которыми, как правило, не делятся на просторах русскоязычного интернета. Единственное, что я могу посоветовать — читать китайские форумы. Там по-настоящему не боятся делиться своим опытом.
                  0
                  Еще есть строительные расчетные программы, правда в них в основном статика.
                  Но динамику можно преобразовать в статику, умножив на соответствующие коэффициенты.
                  Кстати, а в чем визуализацию делаете расчетов МКЭ, а то я тут разрабатываю программу, для обработки расчетных данных на пайтоне с помощью библиотеки VTK.
                  Документации на русском почти нету, что очень печально.
                    0
                    Смотря какие строительные расчеты делаете. Продувку района с розой ветров делали? Или простая статика?
                      0
                      Я инженер проектировщик(главный конструктор) сам уже почти не считаю, занимаюсь монолитным ЖБ и КМ.
                      Сейчас делаю универсальный просмотрщик, для расчетных программ СКАД, ЛИРА, Робот.
                      Чтобы можно было просматривать результаты расчётов этих программ, и создавать графические отчёты. А ну и еще армирование чтобы в dwg можно было выгружать. Из динамики, краны, сейсмика, прогрессирующее разрушение.
                        0
                        СКАД, ЛИРА, Робот.
                        Нет, расчеты делаю в иностранных прогах)
                      0
                      Какие расчеты, конкретно?
                      Может, помогу.
                        0
                        Мне не с расчетами помощь нужна.
                        С этим у мну вообще проблем нету.
                        Мне нужна помощь с библиотекой vtk под пайтон…
                          0
                          Это, точно не ко мне)))
                            0
                            А вот на счет ветра буду иметь ввиду.
                              0
                              Ага, чуть что, в личку пиши))
                            0
                            Напиши, может помогу. Занимаюсь пайтоном и автоматизацией в CAE
                        +1
                        Эм, это что за секреты и ноу хау при работе с коммерческим пакетами? Ну и вроде всегда отвечали на вопросы у нас, разве что вы какую экзотику используете, ну и в крайнем случае западные форумы есть, про китайские не слышал, можете пару примеров привести?.. Да и какие они могут быть если в случае проблем к официальному дилеру можно всегда обратиться. Сетка конечно грубовато, об этом уже писали, да это и видно по картинке напряжений. А испытаний на гармоническую нагрузку, вибрации не проводите?
                          0
                          Вот пример. Литье пластика под давлением. У меня очень большой опыт работы технологом. От термопластавтомата не отходил, сверял расчеты с практикой.Сам проектировал пресс-формы.К примеру, ну спроектировал ты деталь, которая еще в природе не существует. Как будешь делать расчет? С охлаждением пресс-формы? Где точка впрыска? На этот вопрос, тебе тех. поддержка не даст ответ.
                            0
                            Тех поддержка тебе ни на что не даст ответ и не стоит на это надеяться. В конце концов зачем тогда ты нужен если тех поддержка на все даст ответ, тогда можно вместо тебя хоть секретаршу посадить. Менуал читать надо чтоб понимать как что считается и почему так. Это самое главное.
                              0
                              Качественная техподдержка не решит за тебя всех проблем, однако позволит более эффективно пользоваться инструментами, заложенными в софт.
                                +1
                                Это смотря как вопрос задавать, если решите мне задачу, то конечно не даст, а если у меня не получается конкретно что-то или непонятно как работает данная команда, то вполне ответит.
                                  0
                                  По моему опыту техподдержка отвечает только на довольно простые вопросы, которые можно легко найти и самому в документации или погуглить.
                                  Некоторая техподдержка (ESI SysWeld, русские и чешские) например на вопрос как можно задать свою CCT диаграму в их софт отвечали что это можно сделать аж несколькими способами, но продемонстрировать это так и не смогли сославшись на то, что нужны специально подготовленные данные, которые как подготовить они не знают. Кстати это очень частый ответ из разных техподдержек на моем опыте. И в вопросах того как происходит расчет сильно плавали.
                                0
                                А ну вот по этим вопросам, да, я уж думал по расчётам, МКЭ, CFD. По штампам прессформам и оснастке тут конечно сложнее всё, у китайцев как раз в этом плане должно быть много опыта.
                          0
                          при фрезеровке в изделии остаются остаточные напряжения. Однако и в этом случае лучше произвести испытания


                          Так это и при моделировании можно/нужно учесть, не?
                            0
                            К сожалению нет. Хотя, если бы у меня такая задача была, то да))) Вопрос: Зачем? В практике, все гуд сходится… В этом и есть фишка профессионала, который делает расчет)
                              0
                              Наклеп (хотя в пластике будет нечто другое, так как материал там плавится и процесс кристалиации термопластика не такой как у металла, более того разные виды металлов и термопластиков застывают/кристализуются по разному) можно учесть и рассчитать. Причем с разным уровнем абстракции. Можно смоелировать хоть сам процесс плавления и кристализации, чтоб будет самое точное, а можно по усредненным (эмпирическим) формулам посчитать. Если это реально нужно.
                                0
                                Судя, по твоему нику, я тебя хорошо знаю.Если надо такой расчет, то я в одной проге проливаю, а затем перекидываю в другую прогу и там расчет на прочность делаю. Но, это редкие случаи. Так делал раза только 3.
                              0
                              С чем связано требование крепить устройство на защёлках без винтов?
                                +1
                                Завинчивать винты на порядок больше времени требует, плюс контроль затяжки и инструмент. При серийном производстве в тысячи единиц машин и при сотнях компонентов, устанавливаемых в салон, всё это даёт очень существенную экономию времени на сборке.
                                Другое дело нормативы и стандарты, но уверен, что они допускают оба метода.
                                  0
                                  del
                                  0
                                  Ну, не поможет тех. поддержка. Вопрос закрыт. Спец. должен быть и все…
                                    0
                                    Главное — не полагаться всецело на моделирование, т.к. любая компьютерная программа содержит ошибки. Поэтому физическое тестирование конечного изделия обязательно.
                                      0
                                      Согласен! Всегда, нужно сравнивать моделирование с практикой. Но, без компьютерных тестов, ни в коем случае не запускать в производство.
                                        0
                                        Да, однако я бы слегка переформулировал: «без компьютерных тестов ни в коем случае не изготавливать прототип».
                                        0
                                        При физическом исследовании ничуть не меньше подводных камней чем в расчёта и это, к сожалению, мало кто понимает
                                          0
                                          Если можно, конкретизируйте, чтобы понимали ;-)
                                            0
                                            Все прекрасно понимаем. Для этого и статья написана.
                                          0
                                          — Погрешность измерений (причём как самих датчиков и аппаратуры обработки измерений)
                                          — Погрешности обработки экспериментальных данных
                                          — Влияние внешних факторов (температура, вибрации)
                                          — Выбор места расположения датчиков
                                          — Влияние самих датчиков на измеряемых параметры (особенно измерение тепла и газодинамики)
                                          Это основные факторы, не говоря уж планировании эксперимента и всего что с этим связано.

                                          Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                          Самое читаемое