经过适当的几何简化，充分考虑材料的相关特性，合理的再现零件之间的装配关系，应用 ABAQUS 模拟手持式电动工具跌落测试，结果表明：仿真分析结果与实验结果吻合，能够观测到整个跌落冲击过程及产品内部的冲击特性，帮助找到导致失效的真实原因。跌落仿真分析结果可以有效的指导产品设计，在样机出来之前消除一些设计缺陷。
引言
手持式电动工具在整个产品设计周期内，需要考虑相关的认证标准，使最终设计的产品符合其要求，跌落测试就是认证标准中的其中一项内容。按规定条件将手持式电动工具跌向刚性地面，检验工具在误跌时，电气、机械、功能的可靠性[1]。只有经过跌落测试，功能不丧失且电气及机械性能安全的产品才是对客户负责任的产品。按照传统的方法，只有在拿到物理样机后才能进行跌落测试，既耗时又不经济，设计的改进局限性也很大。借助于有限元仿真技术，设计人员可随意选择多个跌落方向，迅速模拟跌落过程。关于仿真结果的准确性，本文从几何简化、材料属性等方面进行探讨，旨在为后续的手持式电动工具及类似产品跌落仿真提供参考。本文采用 ABAQUS 对手持式电动工具进行跌落仿真并加以阐述。
1 有限元模型
1.1 几何简化
在手持式电动工具跌落测试中，出现失效的不一定是直接接触刚性地面的零件，也有可能是处于载荷传递路径上的零件。模拟过程中，仅保留核心零件，其余零件的质量赋予质心，再建立质心跟核心零件间的连接关系这种方法就有一定的局限性。除非已经确定整机中该零件是唯一需要验证的零件，否则建议建立整机模型的有限元模型。但是，并不意味着需要将所有零件都考虑进来，那些对结果影响很小的零件（如内部电线、薄垫片、弹簧、橡胶圈、标签等）可以忽略。对于结构复杂且并非跌落测试中的关键零件（如马达、PCB 等），可用简单的几何来代替。关键零件的某些细小特征对结果影响很小，但是对网格质量影响较大，也可考虑去除。经过这些考量，该有限元模型既可以保留整机的属性又可以很大程度上减少前处理工作量、提高网格的质量、缩短计算时间。某手持式电动工具几何简化后模型见图 1。
图 1 某手持式电动工具几何简化后模型
1.2 材料属性
电动工具零件的材料基本包含钢，铸铝，塑料，橡胶等。其中，铸铝件和塑料件在跌落测试中容易出现失效，是重点考察对象。
跌落测试中，材料不只处于弹性变形阶段，通常都会超过屈服极限进入塑性变形阶段。此时，仅考虑材料的弹性属性（如杨氏模量、泊松比）已不足以反应材料的真实情况。因此，在处理跌落仿真时，需要考虑材料以下几个方面的影响。
1.2.1 塑性
材料的标准试样通过拉伸试验或者三点弯曲试验获得材料的名义应力应变曲线，典型的金属材料名义应力应变曲线如图2所示。
图 2 典型的金属材料名义应力应变曲线
ABAQUS 中，需输入真实应力和塑性应变。名义应力应变和真实应力、塑性应变的转换关系如公式（1）~（3）所示[2]。
式中：s true 为真实应力，Mpa；s nom 为名义应力，MPa； true e 为真实应变； nom e 为名义应变； pl e 为塑性应变； E 为杨氏模量，MPa。
1.2.2 温度和水处理
对于塑料、橡胶等材料而言，温度对材料属性的影响不可忽视。而尼龙这种具有吸水特性的材料，有无水处理对材料性能也有影响，如图 3 所示[3]。通常跌落测试在室温下进行，故温度对材料性能的影响在跌落测试中影响不大。
(a) PA6 GF30 无水处理 (b) PA6 GF30 有水处理
图 3 PA6 GF30 在不同温度下/有无水处理的材料特性曲线
1.2.3 应变率
跌落测试中，冲击过程是高速并瞬态的，应变率相关的材料（如尼龙加玻纤）会展现出不同的材料属性，普通的准静态试验获得的应力应变曲线已经不足以反应该特性，需要做高速试验，国内外这方面的研究工作已经很多[4]。图 4 展现了材料在不同应变率下的特性曲线。
图 4 PP+40%玻纤在不同应变率下的特性曲线
1.2.4 玻纤方向
对于尼龙加玻纤的材料，因为玻纤方向的不确定性和随机性，材料表现出很强的各向异性特性，玻纤方向对材料的性能有一定的影响，如图 5 所示[5]。可以在进行有限元分析之前，通过相关软件确定材料的玻纤方向排布，随后对材料属性进行映射，以此获得更精准的仿真精度。
图 5 玻纤方向对材料性能的影响
本文所用的材料属性考虑了以上几个方面的因素，仿真结果精度能够得到保障。
1.3 初始条件的设定
在保证计算精度的基础上，尽可能节省计算时间，可将实际的自由落体运动转换为施加初速度碰触地面，这样可以极大地缩短ABAQUS 的计算时间。施加在模型上的初速度如公式（4）所得：
计算时间长度设定准则：模型与地面接触碰撞之后要弹起来。
1.4 质量缩放
在跌落仿真中，很多时候，许多复杂的模型包含了一些尺寸很小的单元，这些单元因为几何的限制不能再被优化，而正是这些单元决定了仿真计算中的稳态时间增量步，使显式动态分析采用很小的时间增量。稳定时间增量可用公式（5）表达：
式中， e L 为特征单元长度，mm； d c 为材料的膨胀波速，mm/s； E 为材料的弹性模量，Mpa；r 为材料的密度，tonne/mm3。
为提高计算效率，ABAQUS/Explicit 常采用质量缩放的方法。对真正的动态问题，只能对少数单元进行质量缩放，并且不允许明显地增加整个模型的质量，否则会降低动态结果的精度。因此在整个分析过程中仅对单元稳态时间增量低于给定值的单元进行质量缩放，只增加控制单元的质量意味着可显著提高稳态时间增量，并且对整个模型的影响可以忽略不计。
2 结果和分析
手持式电动工具在跌落过程中，主要关心的是零件强度是否足够，下面就某款手持式电动工具中底板在某跌落角度的 2m 跌落结果进行分析。
初始设计跌落结果和改进设计跌落结果见图 6(a)-6(b)，改进设计零件 2m 跌落后结果见图 6(c)。
(a) 初始设计 (b) 改进设计 (c) 改进设计零件
图 6 底板 2m 跌落仿真结果和试验结果
仿真结果显示，初始设计中，底板部分区域应变超过底板材料的失效应变，以灰色显示。该底板的设计有进一步改进的必要。改进设计后，底板强度得到有效提高，应变值低于材料的失效应变。
对改进设计后的零件进行加工并进行跌落测试，试验结果表明，该设计可以通过2m 跌落试验，试验结果与仿真结果吻合。
结论
跌落仿真可以应用于手持式电动工具或其他产品等的跌落测试试验中，用来预测产品设计中可能存在的风险点。本文跌落仿真结果和跌落测试结果的对比进一步证明了应用 ABAQUS/Explicit 进行跌落仿真的可行性。但是，影响跌落仿真结果精度的因素有很多，本文针对几何简化，特别是材料特性这块进行了探讨。因为手持式电动工具结构复杂，通常采用修正的四面体二次单元，未就单元类型的不同对仿真结果的影响展开讨论。
资料来源：达索官方
