仿真助家具檢測一臂之力

2017-05-05 by:CAE仿真在線來源:互聯網

在獲得上市銷售的許可之前,所有消費品都要經歷設計、再設計、試樣以及測試的循環過程,以便保證產品達到零售標準。這背后凝結了研究人員、工程師和專家們大量的辛勤勞動。為了滿足安全和質量要求,制造商必須首先通過評估,來確保他們的產品能夠上架銷售。

例如,椅子銷售前必須通過嚴格的測試,包括確保它能承受人體體重、維持形狀不變,并且不會在特定條件下發生屈曲。在椅子的使用壽命中,它將要承受數千次的重復加載,還要保證不會發生開裂、破裂或彎折等問題。

檢測機構為設計人員減負

對需要進行產品認證的用戶而言,測試過程相當昂貴又耗時。市場上出現了很多獨立的評估機構(以下簡稱為“檢測機構”)幫助椅子制造廠家減輕這方面的負擔。每年,他們都要測試數百把不同的椅子,如果設計不能滿足歐洲和美國的質量標準(EN、BS、ISO 和 ANSI 標準),椅子制造商不僅僅會感到失望,還要再花費數千美元進行重新設計和再次測試。

為了減輕制造商的負擔,一家檢測機構轉向 COSMOL 認證咨詢機構 Continuum Blue 尋求幫助,希望能開發一款數值仿真 App 來幫助客戶測試各種椅子設計。這樣,他們就能先通過虛擬測試來預判設計能否通過測試,之后再進行物理試驗。

“客戶希望了解我們能否為他們的檢測服務開發一款專業的仿真 App。”Continuum Blue 公司總監 Mark Yeoman博士說,“客戶可以遠程登錄、上傳各種椅子設計,并對每一款設計進行虛擬測試。只有確定某款設計能通過虛擬測試后,他們才會開始制造樣品并送交檢測機構。”

這種測試 App 需要具備多個功能,比如應該加入質量標準;還需非常直觀,方便各設計階段的工程師和設計人員使用;還要足夠靈活,能夠支持測試各種椅子模型、形狀和材料。

仿真為加快家具評估鋪平道路

Yeoman 使用 COMSOL Multiphysics® 軟件開發了一個數值模型,用來預測椅子對標準載荷測試的響應。為了模擬物理測試環境,他在仿真中加入了椅子的幾何結構、地板、用于固定椅腿的墊板、椅背的承載板以及椅面(見圖 1)。

圖 1. 椅子的測試設定及 Continuum Blue 的椅子幾何模型。

不論模擬哪款設計,仿真分析最終都要回答這個問題:“椅子是否會在規定的載荷下失效?”

“椅子需要經受多方面的檢查。”Yeoman 談論道,“它必須在壽命期內不會折斷,持續使用下無開裂,椅子腿部不會過度彎曲、外撇,或下弓。如果椅腿與椅面相交的拐角處出現裂紋,椅子將無法通過測試。”

根據測試標準進行測量

“測試的第一部分是靜態載荷測試,查看椅子能否承受指定的最大載荷。”Yeoman 解釋說,“在 20 秒的周期內對椅子進行加載測試,最開始向椅面加載,然后是椅背,模擬身材高大的人坐下然后靠在椅背上的情景。第二部分是疲勞分析,重復對椅子進行數千次載荷的加載與卸載,相當于椅子經過多年使用后的情況。”

Yeoman 的模型分析了椅子在人體坐下時的變形、機械應力、最早以及最可能出現的失效點(見圖 2)。模型還評估了椅子、承載板與地板之間的接觸壓力,并預測了發生失效時的循環次數(見圖 3)。

圖 2. 椅子中常發生失效的主要位置示意圖。
圖注:Permanent deformation & bending–永久變形與彎折;Surface cracking–表面破裂;Cracking along edges–沿邊角出現裂紋;Cracking where legs meet base–椅腿與椅面的交界出現裂紋;Permanent deformation &excessive bending–永久變形與過度彎折

圖 3. 仿真顯示了一把椅子在加載過程中的變形(左)、應力(中)和接觸壓力(右)。

“大部分的模型設定都很簡單。”他補充說,“結構力學、材料屬性與載荷參數都可以相對較快地在 COMSOL® 軟件中實現。”許多力學因素都會影響椅子能否通過測試,不過接觸研究最為復雜,Yeoman 解釋說:“接觸分析本身就很復雜;它高度依賴接觸表面的材料屬性、摩擦系數,而且從本質上講也是高度非線性的。”

“因為存在多個接觸點,所以它其實是一個不穩定的接觸問題:椅腿與地板之間的四個接觸點、座椅與底部承載板之間的接觸點,還有椅背與后承載板。”他繼續解釋道,“我們通過材料剛度、屈服應力和摩擦系數來準確定義接觸參數。”

簡化并加快虛擬測試?

在完成 COMSOL 模型的開發與驗證后,Continuum Blue 團隊開始著手定制用戶界面,或稱 App,它支持用戶更改幾何輸入和參數、加載條件及材料屬性,支持快速對椅子設計進行虛擬測試。

“我們用到了COMSOL Multiphysics中的 App 開發器。”Yeoman 評論道。在 App 開發器中,設計人員能夠通過輸入框、結果表單、按鈕、下拉選項和圖形對 App 整體進行設計。開發出的 App 運行完整的仿真,即便用戶沒有任何工程或多物理場建模背景,也可以通過指定的輸入參數進行仿真,而非底層的模型、物理場,或其他分析。

“在我們為客戶開發的測試 App 中,我們希望用戶能夠定義各種選項,例如非線性材料。我們對所有的模型特征進行了參數化,能夠將它們完全鏈接到 App 中,當用戶更改參數時,仿真將會同步更新。”

“在對椅子進行加載時,應力會根據材料的屈服強度和拉伸強度進行評估。如果出現永久塑性變形,將會被標在椅子中的相關區域,告知用戶椅子正在發生屈服。如果應力超過材料的拉伸強度,椅子將經歷嚴重的材料失效,比如開裂或斷裂。”Yeoman 說,“此時 App 會自動彈出一個窗口,提示應力已經超過材料的拉伸強度,椅子未通過測試。”

這正是滿足檢測機構需求的一款 App,它支持椅子制造商和設計人員自行導入幾何、選擇材料、定義接觸與加載條件,并能根據測試要求查看結果,及時了解某個設計能否通過測試(見圖4)。