基于 ABAQUS 的对讲机力学性能与断裂失效仿真研究

当前，ABAQUS 在电子通信领域已得到广泛仿真应用。其中在手机行业，跌落可靠性仿真已是产品研发流程中的必要环节，配套的各类失效评判准则也发展得较为成熟。但无论是手机领域还是其他通信设备行业，针对结构断裂失效行为的直接仿真分析仍较为少见。

ABAQUS 具备优异的断裂失效仿真能力，内置多种断裂失效准则，可实现韧性失效、脆性失效及复合材料损伤失效等多类失效模式的模拟。

对讲机面向特定用户群体，且服役环境复杂，对结构可靠性有着较高要求。借助 ABAQUS 对对讲机跌落断裂失效行为开展直接数值模拟，是提升对讲机跌落可靠性的有效技术手段。

Ductile Damage 失效准则

目前仿真应用最多的失效准则是常应变准则，但此准则过于简单，没有考虑应力状态、应变率等因素的影响，无法准确模拟结构的断裂行为。因而，必须另辟蹊径采用其他失效准则。

ABAQUS 为韧性材料提供了多种失效准则，其中，常用的失效准则可以分为以下两大类（如图 1）：

图 1：常用失效准则

材料断裂失效可以简单地分为损伤萌生及损伤累计两个过程，如图 2：

图 2：断裂失效过程

对 Ductile Damage 失效准则而言：

损伤开始产生时，ABAQUS 假定等效塑性应变是关于应力三轴度和等效塑性应变率的函

数 。当损伤累计值 时，材料发生断裂，ABAQUS 便删去断裂处的单元。Ductile Damage 失效参数可以通过缺口试样测试及拟合获取。思路如图 3：

图 3：失效参数拟合

Ductile Damage 失效准则相较其他失效准则具有参数获取容易，适用类型广泛等特点，因而采用此准则模拟韧性材料跌落的断裂失效行为。

有限元模型建立

Ductile Damage 定义

对讲机面壳材料为SABIC某PC材料，对其定义多组不同应变率及不同应力三轴度下的断裂应变。

每组数据代表在一定的应变率下，当应力三轴度达到某值 X 并且断裂等效塑性应变达到某值 Y时，材料发生初始断裂损伤

失效接触定义

定义了失效准则后，ABAQUS 通过删除单元的方式去表示材料断裂失效行为。但是，ABAQUS 跌落仿真的通用接触定义，只定义了单元的表面接触，当单元删除后，单元内部的接触不会发生，这与实际并不相符。因而，必须定义单元的内部接触。建立仿真模型单元集 Set-1，在*end assemble 前插入如下关键字：

分析模型与算法

分析模型如图 4：

图 4：部件材料及单元定义

采用 ABAQUS 显式动力学算法，模拟对讲机跌落冲击动力学过程, 总共 250 万单元, 如图 5：

图 5：有限元模型

输出单元状态变量，以显示单元是否删除

*Element Output, directions=YES

EVF, LE, PE, PEEQ, PEEQVAVG, PEVAVG, S, STATUS, SVAVG

结果分析与判断

当计算时长为 0.4 毫秒时，薄弱区域的应力场云图如图 6：

图 6

由云图可以看出 A 和 B 处应力集中，均超过了 150MPA，为危险区域

此刻，薄弱处发生悬臂梁式弯曲变形，相对变形云图及 A 和 B 处的应力三轴度变化如图 7：

图 7

由图表可以看出，A 和 B 处的应力三轴度峰值达到 0.6 以上，跌落过程的瞬间 A 和 B 处均有较长一段时间处于高应力三轴度状态，并且处于弯曲变形，此时 A 和 B 处抗应力集中能力低，当等效塑性应变接近断裂塑性应变极限时，极容易产生裂纹当计算时长为 0.5 毫秒时，薄弱处塑性变形云图如图 8：

图 8：0.5ms 塑性变形

A 处和 B 处的等效塑性应变分别为 0.017 和 0.016，接近 0.6 应力三轴度对应的断裂塑性应变0.018，而此刻电池作用在面壳薄弱处的动能还并未完全释放，如图 9：

图 9

0.5 毫秒时，电池还有将近 300mJ 动能未完全释放。根据上述分析，当电池动能完全释放，极可能从 A 处产生裂纹，并最终撕裂当对讲机跌落反弹离开地面时，我们认为模拟跌落过程完成（基于计算成本及分析结果综合考量，不考虑反弹后二次跌落的影响）。薄弱处产生了裂纹并且发生了扩张，如图 10：

图 10：裂纹区域

最终我们认为，对讲机跌落后，裂纹从 A 处产生，然后扩张撕裂，最终面壳凸起的这一小块会撕裂断掉

测试验证对比（图 11）

图 11：仿真与实际测试对比

测试表明，仿真结果与测试取得了很好的一致性

结论

本文利用 ABAQUS 模拟对讲机跌落过程中的断裂失效行为，取得了与测试一致的仿真效果。可见，ABAQUS 在电子通信行业模拟跌落断裂损伤可以大有作为，前景广阔。