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仿真、模擬、有限元分析、多物理場……這些術(shù)語是不是早已成為每位仿真人的“日常”？大家是否知曉其背后的技術(shù)原理和演進趨勢，正深刻地改變著世界？Ansys全新推出【Simulation Topics】系列專題，邀您一起探索仿真世界。本專題將以“一期一會”的形式，攜手各領(lǐng)域?qū)＜遥瑖@Ansys全產(chǎn)品線的技術(shù)優(yōu)勢，帶您深入解析流體、結(jié)構(gòu)、電子設(shè)計及電磁仿真、光學、光子學、半導(dǎo)體、自動駕駛、汽車、聲學、航空航天、材料等多個關(guān)鍵領(lǐng)域，讓復(fù)雜的專業(yè)知識觸手可及。

跌落測試是一種受控試驗，旨在研究產(chǎn)品從特定高度和方向跌落到硬表面上時發(fā)生的情況。每次測試后，工程師都會測量沖擊大小、對功能的影響以及任何外觀損傷。他們使用這些信息來改進設(shè)計或確定當前結(jié)構(gòu)是否可行。

大多數(shù)人都熟悉對手機等消費類電子產(chǎn)品的測試，但除此之外，工程師在航空航天、消費品、重型機械、醫(yī)療設(shè)備甚至核材料運輸?shù)缺姸嘈袠I(yè)都會采用跌落測試。

任何跌落測試的目標都是確保產(chǎn)品和包裝設(shè)計能夠承受合理次數(shù)的跌落，并保證安全性、正常運行且不會造成外觀損傷。除了物理測試之外，大多數(shù)公司還會在設(shè)計流程的早期階段使用仿真進行虛擬跌落測試，以降低成本。

跌落測試主要研究產(chǎn)品在兩個方面可能發(fā)生的損壞。第一個方面是在使用前的運輸和存儲過程中，第二個方面是在設(shè)備使用過程中。在使用前階段，產(chǎn)品通常有某種類型的包裝，因此需要進行包裝跌落測試，以評估包裝的耐用性。然后再對產(chǎn)品本身進行測試，以了解在最終用戶那里的使用過程中的意外跌落時會發(fā)生什么情況。

有效跌落測試指南

進行有效且信息豐富的跌落測試的關(guān)鍵在于，建立符合行業(yè)標準的跌落測試程序，為設(shè)計團隊提供有用信息，并對包裝和產(chǎn)品設(shè)計進行驗證。

跌落測試目標

任何跌落測試項目的第一步，都是確定測試的目標和對象。有時，唯一的測試目標就是滿足FedEx等托運商或Amazon、Sam's Club等分銷商所要求的標準。在另一些情況下，設(shè)計團隊需要使用測試數(shù)據(jù)來優(yōu)化產(chǎn)品或包裝設(shè)計。目標應(yīng)被清晰記錄，并用于制定測試計劃。

跌落測試中使用的變量

產(chǎn)品可以從無數(shù)個高度、多種不同的方向和多種環(huán)境條件下跌落，這些都是可由標準或設(shè)計團隊定義的變量。有效的跌落測試應(yīng)對以下變量進行明確定義：

• 跌落高度：重力會加速物體自由下落，因此跌落的高度決定了測試樣本撞擊沖擊表面時的速度，也決定了沖擊能量。
• 產(chǎn)品方向：當物體落在角落或邊緣時，物體上的載荷會集中，與落在較大、平坦表面上相比，損傷程度更大。這就是跌落測試包括多個方向的原因。
• 跌落次數(shù)：產(chǎn)品或包裝可能可以承受一次或兩次跌落，但每次受到?jīng)_擊后，都會造成額外的損傷。關(guān)于物體在不同高度下必須承受的跌落次數(shù)，許多測試都有相關(guān)規(guī)范。
• 沖擊表面材料：跌落測試用的平面的材料特性會顯著影響傳遞到跌落物體的能量。一些常見的跌落測試表面，包括：混凝土、拋光混凝土、鋼、混凝土上的膠合板和混凝土上的乙烯瓷磚。
• 溫度和濕度：測試環(huán)境中的溫度和濕度是一個重要變量，尤其是對于紙板包裝而言。這兩個變量會影響產(chǎn)品、包裝和跌落表面的材料屬性。

跌落測試標準

跌落測試有多種標準，有些是由行業(yè)制定的，有些是由運輸或分銷產(chǎn)品的公司制定的，還有一些是由國際標準組織制定的。其中一些最常見的標準包括：

• ASTM D5276：通過自由落體對裝載容器進行跌落測試的標準測試方法
• ASTM D7386：單一包裹輸送系統(tǒng)包裝性能測試的標準實踐
• ISTA 3A：包裹輸送系統(tǒng)運輸，重量小于150磅（70kg）
• ISO 2248：跌落垂直沖擊測試
• IEC 60068-2-31：測試-測試Ec：粗暴搬運沖擊，主要用于設(shè)備型物品
• MIL-STD-810G 516.6：環(huán)境工程考量和實驗室測試：測試：沖擊

跌落測試設(shè)備

垂直跌落測試通常使用一套小型測試設(shè)備來進行測試并測量結(jié)果。測試規(guī)劃人員應(yīng)指定能夠處理測試物體的尺寸和質(zhì)量、準確測量測試的輸入變量，并從測試中捕獲所需數(shù)據(jù)的設(shè)備。

跌落測試儀

跌落測試儀可用于按照所需的高度、方向和沖擊表面參數(shù)，對測試物體進行重復(fù)一致的跌落測試。其由一個沖擊表面和一個機械裝置組成，該裝置可在所需高度和方向固定和釋放測試物體。大多數(shù)機器都能自動提升和釋放測試樣本。

旋轉(zhuǎn)滾筒跌落測試儀

小型電子組件和設(shè)備（如手機）可使用旋轉(zhuǎn)滾筒跌落測試機進行測試。將測試物體放入旋轉(zhuǎn)的滾筒中，滾筒會反復(fù)提升和跌落測試物體。許多公司使用這種類型的設(shè)備，來驗證每種可能的跌落方向都已經(jīng)過測試。

加速度傳感器

加速度是工程師需要的關(guān)鍵信息之一，可幫助他們了解產(chǎn)品在沖擊事件中承受的載荷。測試人員使用加速度傳感器來測量包裝中和產(chǎn)品關(guān)鍵位置的加速度。

光學檢查器

工程師還需要了解測試物體在沖擊后的外觀損傷和物理變形。技術(shù)人員可以使用各種校準測量設(shè)備進行視覺檢查，用高質(zhì)量攝像頭或光學光掃描來獲得變形表面，從而實現(xiàn)上述目標。

產(chǎn)品測試夾具

測試夾具，可在涉及產(chǎn)品功能測試時用于自動化功能測試。

跌落測試的典型步驟

1. 規(guī)劃：測試工程師利用目標、產(chǎn)品規(guī)范以及行業(yè)或公司標準來規(guī)劃一組最有效的測試，以滿足所有要求。
2. 設(shè)備校準和設(shè)置：跌落測試設(shè)備應(yīng)針對測試進行校準和配置。這包括解決安全問題，并在需要時實施自動化和數(shù)據(jù)采集。
3. 樣本準備：然后，技術(shù)人員必須準備測試物體本身。這可能是包裝和產(chǎn)品的原型，也可能是從生產(chǎn)中抽取的測試樣本。同時，還需要安裝加速度傳感器，并根據(jù)需要應(yīng)用標記。此階段還應(yīng)對質(zhì)量進行驗證。
4. 執(zhí)行：使用跌落測試規(guī)劃中所述的測試設(shè)備進行測試。執(zhí)行中的每個步驟都要保持一致并遵循測試計劃，這一點非常重要。
5. 檢查和分析：每次跌落測試后，技術(shù)人員和工程師都會檢查測試物體，并捕獲任何幾何結(jié)構(gòu)、外觀或功能上的變化。同時，還會對結(jié)果進行分析，以獲得測試或工程團隊所需的數(shù)據(jù)。
6. 文檔和報告：任何測試計劃都需輸出一份完整而詳細的報告，其中包括已完成的操作、獲得的數(shù)據(jù)以及測試計劃的任何例外情況。

跌落測試的五大優(yōu)勢

在開發(fā)新產(chǎn)品時，工程團隊會重點關(guān)注其在正常操作過程中的功能狀況。上述正常操作過程，包括在整個產(chǎn)品生命周期中的不同階段將設(shè)備跌落。由于各種原因，跌落測試已成為產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵部分，其中包括：

1. 安全性

驗證產(chǎn)品安全性，是跌落測試最重要的目的。如果產(chǎn)品在跌落后結(jié)構(gòu)完整性受損，則可能會泄漏化學品、過熱、著火或以可能造成損害的方式運行。設(shè)計團隊利用跌落測試或跌落測試仿真來優(yōu)化產(chǎn)品及其包裝的材料和結(jié)構(gòu)，以滿足安全規(guī)范。

2. 產(chǎn)品耐用性和功能性

在滿足安全要求后，跌落測試的下一個目標是驗證產(chǎn)品在跌落后是否足夠耐用，以保證其正常運行。這要根據(jù)所測試的具體產(chǎn)品進行判斷。比如，IoT傳感器可能會出現(xiàn)凹陷和刮擦，但只要它能繼續(xù)收集準確的數(shù)據(jù)，就會被認為是功能正常的。

在醫(yī)療和國防行業(yè)中，功能性變得至關(guān)重要，因為產(chǎn)品功能的損失可能會對患者和作戰(zhàn)人員產(chǎn)生重大影響。跌落測試可幫助設(shè)計團隊驗證其設(shè)計在合理的跌落次數(shù)下的耐用性。

3. 客戶滿意度

產(chǎn)品跌落后的狀態(tài)會對客戶對產(chǎn)品和品牌的感受產(chǎn)生重大影響，尤其是在發(fā)生功能性減弱的情況時。此外，交付時包裝的外觀狀態(tài)或產(chǎn)品本身在跌落后的外觀，也會對客戶滿意度產(chǎn)生重大影響。凹陷、刮擦和裂紋可能不會影響功能，但確實會對客戶對產(chǎn)品的印象產(chǎn)生負面影響。

跌落測試不僅可以避免相關(guān)損傷，還可以幫助設(shè)計團隊與市場營銷和客戶支持團隊合作，以明確最終用戶關(guān)于產(chǎn)品可承受跌落范圍的預(yù)期。

4. 尺寸、材料、運輸和存儲成本降低

使產(chǎn)品能夠承受從各種高度自由跌落的一個簡單方法，就是增加包裝和產(chǎn)品本身的材料。然而，這會增加材料、運輸和存儲成本，從而增加產(chǎn)品的整體成本。跌落測試可幫助工程師驗證，其包裝和產(chǎn)品設(shè)計是否能在滿足跌落要求的同時，最大限度地降低成本。

5. 更換、維修和保修成本降低

如果產(chǎn)品在運輸或使用過程中受損，更換成本可能會迅速增加。跌落測試有助于確定哪些跌落類型在保修范圍內(nèi)，以及對托運人的要求。此外，跌落測試還可以提高產(chǎn)品的耐用性和包裝質(zhì)量，以降低與跌落損壞相關(guān)的潛在成本。

虛擬跌落測試仿真

物理跌落測試是質(zhì)量保證中一個成熟且有效的方法，但物理測試只能在產(chǎn)品包裝設(shè)計和可測試版本完成之后才能進行。此外，物理測試不僅成本高昂而且極為耗時，更不用說在研發(fā)流程后期更改設(shè)計的成本了。這就是許多公司使用仿真來進行虛擬跌落測試的原因，將其作為產(chǎn)品設(shè)計流程的一部分，而不是流程完成后的一個步驟。

Ansys LS-DYNA?軟件是大多數(shù)行業(yè)進行跌落測試仿真的標準仿真工具。這是一個有限元分析（FEA）平臺，可在時域中求解，并考慮質(zhì)量、動量、復(fù)雜材料和復(fù)雜接觸條件，這正是工程師進行跌落測試仿真時所需要的。仿真不僅可以幫助工程師了解其產(chǎn)品及其包裝的跌落行為，而且還可以快速開展參數(shù)化“假設(shè)”研究，以推動這些設(shè)計。

仿真的另一個優(yōu)勢是，工程師可以看到包裝或產(chǎn)品內(nèi)部，并查看沖擊事件中隨時間變化的內(nèi)部行為，從而提供比物理測試更深入的洞察。使用仿真進行跌落測試的工程師，可以獲得裝配體中任何位置的加速度、應(yīng)力、變形、接觸力、塑性變形和位移信息。

使用仿真進行虛擬跌落測試時，工程師應(yīng)考慮以下最佳實踐：

• 在可能的情況下，使用六面體（hex）單元創(chuàng)建高質(zhì)量、精確的網(wǎng)格，確保厚度方向上分布有足夠的單元，并在需要時使用高階單元。相對均勻的單元尺寸也是關(guān)鍵。Ansys產(chǎn)品中有各種網(wǎng)格劃分工具可以幫助完成此過程。
• 使用綁定接觸來連接產(chǎn)品中彼此相連的組件，并使用摩擦接觸來表示在沖擊事件中可能相對于彼此滑動的表面。LS-DYNA軟件中有大量工具可用于建立和管理接觸連接。
• 利用LS-DYNA軟件各新版本中添加的新功能。多case建模、紙板材料和新網(wǎng)格劃分工具等功能，可改進跌落測試的功能和用戶體驗。
• 在您自己的硬件上或在云端利用高性能計算（HPC），LS-DYNA軟件支持多核并行處理，從而實現(xiàn)更大規(guī)模的模型和更短的求解時間。
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跌落測試的未來趨勢

客戶和分銷合作伙伴的期望在不斷變化，從而推動跌落測試的技術(shù)和相關(guān)期望向前發(fā)展。此外，可持續(xù)性也對產(chǎn)品使用的材料及其包裝方式產(chǎn)生了重大影響。

工程師在規(guī)劃未來的跌落測試工作時，應(yīng)考慮以下五種趨勢。

可持續(xù)性

可持續(xù)性正在推動產(chǎn)品包裝系統(tǒng)發(fā)生巨大的轉(zhuǎn)變。在某些情況下，消費者和零售合作伙伴都期望能夠使用產(chǎn)品本身的包裝進行運輸，而無需任何保護性包裝。環(huán)境問題也促使產(chǎn)品及其包裝使用更具可持續(xù)性的材料，并在整體上減少材料的使用。

成本降低

制造、包裝和運輸?shù)某杀究赡芟喈敻撸虼似髽I(yè)在不斷尋找降低成本的方法。跌落測試（尤其是跌落測試仿真）將發(fā)揮更重要的作用，幫助工程師進行設(shè)計更改，以降低產(chǎn)品及其包裝的成本，同時確保耐沖擊性能符合規(guī)范。

用戶期望提高

用戶對包裝外觀的要求在不斷提高，并對產(chǎn)品能夠承受的跌落高度提出了更高要求。在設(shè)計流程的早期階段，工程師需要使用仿真跌落測試來滿足這些期望，并賦予其產(chǎn)品競爭優(yōu)勢。

貨架吸引力和開箱體驗

另一個用戶期望不斷增長的方面，是產(chǎn)品在物理和虛擬貨架上的外觀，以及開箱體驗。這些美學考量因素，將對沖擊耐久性的設(shè)計特性產(chǎn)生越來越大的影響。在這方面，仿真跌落測試也能為工程師提供所需的工具，以便在研發(fā)周期早期嘗試更多美觀的包裝設(shè)計。

多物理場仿真

在仿真領(lǐng)域，人們大力推動充分利用LS-DYNA軟件等工具中的多物理場功能，并將其與Ansys Mechanical?軟件、Ansys Sherlock?工具、Ansys Icepak?軟件和Ansys Fluent?應(yīng)用耦合。這樣，便可以評估跌落產(chǎn)生的載荷和變形如何影響產(chǎn)品的性能和可靠性。

歡迎聯(lián)系我們，以進一步了解Ansys軟件如何幫助企業(yè)利用仿真的預(yù)測功能來突破設(shè)計極限。