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基于SIMSOLID的頭戴耳機夾持力仿真分析

一、研究背景

隨著信息技術發展和人們生活方式的

變化，耳機越來越成為大多數人生活中不可獲取的電子產品。由于部分用戶工作或生活的需要，佩戴頭戴耳機的時間越來越長，極易造成人耳部分的不舒適，影響用戶體驗。耳機佩戴的舒適性也成為了比美觀外形、優質聲音更重要的設計要素。頭戴耳機的舒適性與耳機和人體頭部尺寸匹配度、夾持力、耳套材質、耳套尺寸、佩戴時長等因素有關，耳機與人頭尺寸不匹配也會造成夾持力過大，夾持力的大小直接影響著耳機對用戶佩戴舒適度，成為研發設計、檢測過程中的重點關注指標。

本文將針對頭戴耳機的夾持力進行研究，通過SIMSOLID軟件，快速分析耳機在拉開至人耳寬度時的作用力大小，評估夾持力，不斷優化支臂、頭戴、轉軸等處的結構設計，提高佩戴的舒適度，增加用戶體驗。

二、研究模型和前處理工作

采用如下圖一所示的頭戴幾何模型，模型結構件很多，力學分析很復雜，基于耳機基本屬于對稱結構，夾持力分析中左右兩側作用力大小相同，因此分析模型可以做圖二所示的簡化，分析一半的模型，提高計算效率，其詳細結構如圖三所示。

經測試，此款頭戴耳機在左右分別掰開80mm時，能進行佩戴，因此后文中將以耳套X方向位移80mm為基準，分析夾持力。

 

圖一 頭戴耳機整機模型

 

圖二 仿真簡化建模

         

圖三 幾何模型剖面結構示意圖

SIMSOLID前處理無需劃分網格，需要處理較大干涉的幾何模型，調整坐標系，方便軟件中邊界條件的賦予。SIMSOLID可以基于材料非線性和接觸條件的非線性進行非線性的靜力學分析，如圖四所示，為賦予的PC+ABS塑膠的彈塑性模型，幾何導入采用fine的設置模式，選用Structural non-linear的分析模塊，接觸設置中，可以采用自動檢測接觸，設定間隙和干涉量，完成接觸對的查找，針對粘接或螺栓連接的接觸采用Bonded模式，有接觸和分離的接觸對采用Separating/closing +Friction的模式，針對轉軸和slider的接觸采用Sliding without friction接觸，針對部分未接觸區域采用Disable contact模式。對于頭戴梁兌成平面賦予固定約束，平板給予壓強（不斷的調整壓強數值，分析耳套X方向的位移），計算模型如圖四所示：

 

圖四 PC+ABS的應力應變曲線

 

圖五 頭戴耳機夾持力分析的計算模型

三、計算結果與分析

將上述模型進行仿真計算，通過不斷的調整壓強數值，分析耳套X方向的位移，當耳套X方向的位移達到80mm時，此時施加的壓強換算成作用力，作用力的大小可視為頭戴耳機的夾持力。如圖六所示，模型沒有達到塑性變形，都是處于彈性階段。圖七為耳機的位移變化云圖，模型最大位移為85.48mm，平板處于豎直狀態。圖八為耳機在X方向的位移云圖，耳帽X方向位于約為80mm，此時平板的作用力為8.94N，即此頭戴耳機的夾持力為8.94N。

 

圖六 模型處于彈性階段

 

圖七 耳機位移云圖

 

圖八 耳機X方向的位移云圖

此款耳機進行結構組裝，采用圖九所示的儀器進行夾持力測試，測量的加持力為8.2N。與測試結果比較仿真精度存在9%左右的誤差。

 

圖九 加持力測試儀器

四、研究結論

通過SIMSOLID進行頭戴耳機夾持力仿真，無需進行復雜的幾何清理、網格劃分等前處理工作，能快速得到仿真結果；通過和測試結果比較，仿真結果存在9%左右的誤差，可以為耳機ID和結構設計提供一定的參考，加快研發進度，縮短研發周期。