考虑内部模块的多功能一体机打印机抗冲击性评估的有限元分析外文翻译资料

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考虑内部模块的多功能一体机打印机抗冲击性评估的有限元分析

摘要：

IT电子设备的故障通常是由于运输过程中跌落或外部冲击引起的。这些故障会导致客户不信任产品的可靠性。许多IT电子产品制造商不仅使用了缓冲材料，而且还提高了其产品的抗震性以防止故障。尤其是在打印机产品的情况下，包装的设计和产品的坚固性极为重要，因为它们的重量大且内部模块易碎。对于产品设计，必须了解产品的冲击破坏机理。在这项研究中，进行了压缩测试，跌落冲击测试和有限元分析（FEA），以分析多功能一体机（MFP）的动态行为。缓冲材料的机械性能通过压缩试验测量。靠垫包装和MFP的有限元模型包括内部模块的物理特性，并使用商业软件ls-dyna3d获得了它们的动态行为。仿真结果也与跌落测试结果进行了比较，以验证所提出的有限元模型。MFP的耐冲击性通过应力分析和强度评估进行评估。我们还希望我们的有限元模型对评估内部模块的脆弱性很有用，因为这些模型可以通过数值估算内部模块的冲击加速度曲线，而这些曲线很难通过实验进行测量。靠垫包装和MFP的有限元模型包括内部模块的物理特性，并使用商业软件ls-dyna3d获得了它们的动态行为。仿真结果也与跌落测试结果进行了比较，以验证所提出的有限元模型。MFP的耐冲击性通过应力分析和强度评估进行评估。我们还希望我们的有限元模型对评估内部模块的脆弱性很有用，因为这些模型可以通过数值估算内部模块的冲击加速度曲线，而这些曲线很难通过实验进行测量。靠垫包装和MFP的有限元模型包括内部模块的物理特性，并使用商业软件ls-dyna3d获得了它们的动态行为。仿真结果也与跌落测试结果进行了比较，以验证所提出的有限元模型。MFP的耐冲击性通过应力分析和强度评估进行评估。我们还希望我们的有限元模型对评估内部模块的脆弱性很有用，因为这些模型可以通过数值估算内部模块的冲击加速度曲线，而这些曲线很难通过实验进行测量。MFP的耐冲击性通过应力分析和强度评估进行评估。我们还希望我们的有限元模型对评估内部模块的脆弱性很有用，因为这些模型可以通过数值估算内部模块的冲击加速度曲线，而这些曲线很难通过实验进行测量。MFP的耐冲击性通过应力分析和强度评估进行评估。我们还希望我们的有限元模型对评估内部模块的脆弱性很有用，因为这些模型可以通过数值估算内部模块的冲击加速度曲线，而这些曲线很难通过实验进行测量。

作者： 金世昌；赵大根；金泰圭；郑世勋；古积全；金文基；崔在邦

1. 介绍

由于对其产品的高需求，全球IT市场一直在迅速扩张。特别是，打印机业务是信息和通信设备行业十大行业之一。市场规模已发展到1.4亿美元，比手机市场还大。因此，打印机制造商和研究人员投入大量资源进行技术创新和开发，以增强其在市场上的竞争力。

产品质量保证对于消费者满意度和形象改善至关重要。在运输和使用过程中，应保证产品的质量不受外界因素的影响。产品故障主要是由于车辆振动和不小心跌落造成的。许多公司已经使用缓冲包装，并试图提高产品本身的抗冲击性，因为跌落冲击的失败会严重恶化产品质量。抗冲击设计对于移动电话、个人数字助理（PDAS）和笔记本电脑等便携式电子产品是必要的，而对于运输过程中的笨重产品，包装设计则变得更加重要。

图1 跌落冲击试验示意图

为了提高包装设计和抗冲击性能，不仅需要开发人员的经验，还需要对跌落冲击失效机理进行实验测试和数值分析。电子学的冲击失效研究分为三类：印刷电路板（PCBS）和焊点、便携式设备（手机、笔记本和照相机）和通用电子学（电视、显示器和打印机）。

为了提高包装设计和抗冲击性能，不仅需要开发人员的经验，还需要对跌落冲击失效机理进行实验测试和数值分析。电子学的冲击失效研究分为三类：印刷电路板（PCBS）和焊点、便携式设备（手机、笔记本和照相机）和通用电子设备（电视、显示器和打印机）。

翁等人进行了产品级和插板级跌落冲击试验。Tee等人通过测试和有限元分析评估了冲击焊接接头的完整性。Lim等人对传呼机进行了跌落测试和分析。三菱电机公司为第三代移动电话建立了跌落测试仪和有限元分析系统。此外，Joung等人通过对手机液晶显示模块的测试和数值分析，提出了机械加固的方法。Shim等人测量聚碳酸酯（通常用作包装材料）的机械性能，并将其应用于有限元模型中。Chung等人在微波炉上进行跌落冲击试验和压缩试验，包括包装。Kim等人在对缓冲包装进行跌落试验和有限元分析后，提出了一种使用田口方法的稳健包装设计。还建立了液晶显示器的专用数值分析系统。

如上所述，各种产品的抗冲击设计已经得到了广泛的研究。然而，对于内部有许多复杂模块的产品，由于很难从产品内部的模块获得准确的冲击数据，因此只能部分评估其抗冲击性能。因此，到目前为止，过简化的数值模型已经被用来评估冲击阻力。特别是，打印机产品有许多内部模块，如有机复印机滚筒和定影器，这两个模块都对外部冲击非常敏感。这些模块可能会导致产品故障或故障，即使是非常小的冲击载荷。

本文对封装式多功能打印机（MFP）及其内部模块的抗冲击性能进行了精确评估。所有的物理性能都是针对不同的MFP组件获得的，包括缓冲包装、扫描仪和打印机部件。构建了包含MFP内部模块的精细有限元模型，并利用该模型对每个内部模块的动态特性进行了估计，这是对整个产品进行更准确的影响评估所必需的。为了验证所提出的有限元模型，还进行了跌落冲击试验。

图2 跌落冲击试验中测量的标准化峰值加速度数据

1. 跌落冲击试验

进行跌落冲击试验以了解封装的MFP在跌落冲击下的动态行为。图1显示了跌落测试仪的示意图。表1总结了仪器的规格。每个产品都有自己的跌落测试标准高度，以评估其耐久性。MFP产品的比跌落测试高度为61 cm。如图2所示，我们从六个不同的方向丢弃了测试样品。包装好的MFP安装在测试夹具臂上。加速度测量从一个折叠臂触发的信号开始。将采集到的数据以104.6khz的速率放大后，实时保存在动态信号采集器和分析仪中。一个加速计安装在与撞击相反一侧的中心点上。每个方向进行10次试验，以确保重复性。图2显示了最大值、最小值、中值和平均值数据。它们的标准偏差值也被计算出来。例如，正向最大值之间的标准偏差为15%。将加速度数据的平均值与以下有限元分析所得的值进行比较。

表1跌落冲击试验仪器

3. 有限元模型

3.1几何简化和网格生成

目标MFP模型由大约70个部分组成。在为如此复杂的产品开发有限元模型时，考虑计算效率至关重要。为了节省分析时间，简化了MFP模型，排除了一些质量或形状不可忽略的小零件。我们将所有部件分为以下四类：外壳、框架、内部模块和缓冲包装。框架作为MFP的骨架结构支撑其他部分。外壳围绕框架作为外墙，内部模块位于框架的内部空间。两个包装垫放置在MFP的顶部和底部，以防止外部冲击。选取框架、22个壳体构件、12个内部模块和两个填料垫构建MFP-FE模型。使用I-DEAS计算机辅助设计（CAD）程序去除小于5mm的圆角和腔室，以简化模型

图3 MFP-FE模型；（a）带缓冲包装的全MFP模型，（b）打印机部件，（c）内部模块，和（d）扫描仪部件

大多数零件是厚度为14毫米的薄板结构。薄板上的三维网格由于其高长宽比而容易产生发散问题，因此我们在中表面上创建了二维网格，并使用一个名为Hypermesh的有限元预处理程序从三维CAD模型中提取出来。壳体、框架和内部模块的有限元模型是使用二维网格生成的，而包装和玻璃模型是基于三维网格生成的。二维网格采用S/R共转Hughes-Liu单元，三维网格采用全集成S/R实体单元[12,13]。图3（a）显示了目标MFP的整个有限元模型和包装。图3（b）–3（d）分别表示打印机、内部模块和扫描仪部件。平均网格大小为2-3mm，节点数为706000，单元数为650000。整个模型由26个可变形部分和11个刚性部分组成。

3.2材料本构模型

在有限元分析中，材料本构模型对获得可靠的分析结果起着重要的作用，因为有限元模型的力学行为主要由材料特性决定，如弹性模量、泊松比、密度、塑性和应变率。表2总结了MFP有限元分析中使用的所有材料特性。

表2 材料特性

材料的详细说明如下：

塑料：有三种塑料材料：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚碳酸酯（PC）thorn;ABS和高抗冲聚苯乙烯（HIPS）。MFP有一些易发生故障的组件，因此其完整性应该用保守的标准进行评估。对于塑性材料模型，我们假设当超过屈服强度时会发生失效。从这个假设出发，在我们的有限元模拟中，塑料的塑性和应变率相关性可以忽略不计。

泡沫：缓冲包装是决定传递到MFP的冲击载荷的一个重要因素，因此包装材料的动态特性应该被仔细考虑。包装材料为膨胀聚丙烯（EPP）45。EPP 45材料的应力-应变曲线是通过压缩试验获得的，如图4[14]所示。试验结果如图5所示。曲线表现出较大的体积变化和高应变下的弹性变形。这些特性通过耗散冲击能量来保护产品免受外部冲击。

金属：钼和使用不锈钢（SUS）304将灯固定在框架上。钼具有承受恶劣温度条件的能力，不会显著膨胀或软化，因此它适合支撑灯具这一高热单位。

玻璃：用于扫描部分的增强玻璃在失效前表现为脆性，因此不考虑应变率效应[15]。

3.3内部模块物理特性的定义。

我们建立了包含内部零件动态特性的有限元模型。由于其内部模块的形状和结构都很精细，对冲击也很敏感，因此了解其动态特性是非常重要的。例如，诸如灯之类的光学单元非常脆弱，并且由于冲击负载，可能很容易发生碳粉泄漏。为了考虑内部模块与其他部件之间的干涉现象，我们用二维网格将其建模为具有实际几何边界的刚体，因为这些部件在冲击载荷条件下几乎没有变形。惯性效应也可以通过在每个内部零件的质心处包括一个质量和一个惯性矩来考虑。这些数据是由CAD软件根据内部模块的质量分布和3D配置数据自动生成的，汇总在表3中。

图5压缩试验条件下EPP 45材料的归一化应力应变曲线

3.4荷载和边界条件

3.4.1荷载

利用重

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