内部模块对于多功能包装打印机冲击性靠垫评价有限元分析外文翻译资料

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内部模块对于多功能包装打印机冲击性靠垫评价有限元分析

在IT电子产品的故障往往是由下降或运输过程中的外部冲击造成的。这些故障导致客户不信任的产品的可靠性。许多IT电子产品制造商不仅用缓冲材料而且增加了产品的耐冲击性故障保护.特别的情况下的打印机产品，包装的设计和产品的鲁棒性，因为它们的重量和内部模块的脆弱性极为重要。对产品的设计，有必要了解产品的冲击破坏机制。在这项研究中，压缩试验，落下冲击试验，和一个有限元分析（FEA）中进行分析的封装多功能的动态行为

打印机（MFP）。缓冲材料的机械性能进行了测定压缩试验。缓冲包装和MFP的有限元模型包括内部模块的周界的实物的特性，和它们的动态行为都是使用商业软件LS-DYNA3D获得。仿真结果也与跌落试验结果进行比较，验证了有限元模型的耐冲击性MFP是由应力分析和强度评价评估。我们也期望我们的FE车型将用于评估内部​​模块的脆弱性非常有用，因为这些模型可以用数字估算冲击加速度内部模块的廓线，这是DIF网络实验测量

[DOI：10.1115 / 1.4024748]。

关键词：跌落冲击试验，有限元分析，耐冲击，内部模块，多功能打印机，冲击脆弱性评估

1引言

全球IT市场已经迅速扩大，因为其产品的高需求。特别是在打印机业务在信息和通信的十大行业之一的设备行业。市场规模已经增长到1.4亿美元，这比移动电话市场还大，因此，打印机制造商和研究人员致力于资源，技术创新和发展，以提升它们在市场上的竞争力。

产品质量保证，消费者满意度和形象提高至关重要。一个产品的质量应该对突发外部因素期间保证交通运输以及使用过程中。产品主要故障都是因为车辆的振动和不小心发生。许多公司已经使用缓冲包装，也试图改善产品本身的耐冲击性，因为从高空落下的冲击会严重危害产品的质量。对于便携式电子设备例如移动电话，个人数字助理（PDA）和笔记本电脑，在运输过程中耐冲击性的设计是必要的，而包装设计更重要。

为了提高包装设计和防震性能，不仅需要开发者的经验，而且分析跌落冲击破坏机理的实验测试和数值分析也是必要的。电子产品的冲击破坏研究是分三类：印刷电路板（PCB）和焊点，便携式设备（移动电话，笔记本电脑和摄像机），一般的电子设备（电视，显示器和打印机）。

首先进行相同条件下的跌落冲击试验。 然后评估焊料接头的完整性与震动测试进行有限元分析。接着进行降落测试和分析。三菱电气公司的第三代移动手机内置一个跌落试验和有限元分析系统。此外，通过测试和的数值分析提出了液晶显示器在移动电话中使用的（LCD）的模块的机械加固的方法。再测量聚碳酸酯的机械性能，通常用作包装材料，在一个有限应用它们的模型。再进行两个落下冲击试验和在一个微波炉压缩试验，包括包装。最后提出一种利用进行跌落试验和缓冲包装有限元分析后，田口方法的稳健包装设计。，还建造了用于液晶显示器的独家数值分析系统。如上所述，耐冲击性设计的各种产品已被广泛研究。然而，对于产品具有许多复杂的模块里面，它们的抗冲击性一直只有部分评估，因为它是非常确切从位于产品内部的模块的影响的数据。因此，过分简化的数值模型被用于耐冲击性评价。特别是，一个打印机产品具有许多内部模块，如有机照片复印机鼓和这两个定影器，对外部非常敏感休克。这些模块可以导致故障故障产品，即使是非常小的冲击载荷。

在本文中，我们准确的评估了多功能打印机（MFP）包装的抗冲击性，包括其内部模块。所有的物理性能都用于各种MFP获得组件，包括缓冲包装，扫描器，和打印机部件。包括在MFP内部模块精心有限元模型被构造和用来估计每个内部模块，这是必要的，以执行整体产品的更精确的影响评估的动态。为了验证所提出的有限元模型，跌幅冲击试验也执行。

图1.落下冲击试验的概率

图2. 在冲击试验中测得的一滴标准化峰加速度数据

2跌落冲击试验

进行跌落冲击试验，以了解动态经受跌落冲击MFP的行为。图1所示出了跌落试验机的原理图。的特定的阳离子科幻仪表总结在表1中的每个产品都有其自己的跌落测试标准高度评价其耐久性。一个多功能一体机产品的特定网络Ccedil;跌落测试高度为61厘米我们放弃了在六个不同方向上的测试样品中，如图2所示。 包装MFP成立于测试网络连接夹具手臂。加速

测量开始由一个折叠臂触发的信号。该数据，其与104.6千赫的速率取样，分别扩增时间然后保存收集器和分析器真实动态信号。加速度计被附连到上的中心点侧相反的的影响。该试验在每个方向进行10次，以确保可重复性。图2显示了最大值，最小值，中位数和平均数的数据。他们的标准差值也计算。例如，标准的的最大值之间的偏差为15％，为前向方向。的加速度数据的平均值与从下面的FEA获得的那些进行比较。

表1仪器的跌落冲击试验

3 FE型号

3.1几何简化和网格生成。

该目标MFP模型由约70份。什么时候制定这样一个复杂产品的有限元模型，这是极为重要的考虑，计算外汇基金效率。为了节省分析时间，MFP的模型，简化网络排除一些编有一个可忽略的质量或形状的小零件。我们分类网络版所有部分分为以下四类：住宅，框架，内部模块和缓冲包装。所述框架支撑的其他份作为MFP的骨架结构。包围帧作为外墙和外壳。内部模块位于在框架的内部空间。这两个包装垫是放置在顶部和MFP的底侧，以保护它

应对外部冲击。框架，22住宅部品，12个内部模块，并且两个包装衬垫分别选择构建MFP有限元模型。鱼片和商会小于5毫米的使用为模型简化网络连接阳离子除去I-DEAS计算机辅助设计（CAD）程序。

大部分薄板结构是具有的厚度是14毫米。对薄板三维网格很容易造成分歧，因为它的高宽比的问题，所以我们创建2D啮合的中面，从三维CAD模型萃取，用所谓的HYPERMESH FE预处理程序。 FE型号为壳体，框架，和内部模块用生成2D啮合，而包装和玻璃型号分别为基于三维网格。分别为S / R一起旋转要素是用于二维网格和完全集成的S / R坚实的要素是用于3D网格划分。图3（a）表示带包装的目标MFP的整个有限元模型。图3（b）-图3（D）所代表的打印机，内部模块和扫描仪，平均网眼尺寸为2-3毫米，并且节点和元件的数目分别是706,000和65万份。整个模型由26变形部分和11刚性部件。

图3MFP有限元模型;（1）用缓冲包装，（2）打印机部件，（3）内部模块，以及（4）扫描仪部件全MFP型号

3.2材料本构模型。

在一个有限元分析，该材料本构模型获得可靠发挥重要作用的分析的结果，因为有限元模型的力学行为主要是由材料特性来确定，如弹性模量，泊松比，密度，可塑性，和应变率。表2总结了在使用的所有材料的性能是材料的在MFP FEA.The详细说明如下：

塑料：有三种塑胶原料：丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS），聚碳酸酯（PC）thorn;ABS，和高冲击聚苯乙烯（HIPS）。 MFP有一些易出故障的组件，因此它的完整性应与评估保守的标准。我们假设为塑料材质模型，当屈服强度是在故障发生超标。从这个假设，可塑性和应变的塑料率的依赖是我们模拟FE可以忽略不计

泡沫：缓冲包装是用于确定传送到MFP的冲击载荷的重要因素，所以在动态包装材料的行为，应小心考虑。包装是由发泡聚丙烯（EPP）45的材料。在EPP的应力 - 应变曲线从压缩试验得到45材料，如图所示在图4。试验结果绘于图5.曲线显示大体积变化和高应变弹性deformaion。这些特性保护产品从消散冲击能量的外部冲击。

金属：钼钢采用不锈钢（SUS）304用于以网络连接的X灯到框架上。钼有能力承受而不显着膨胀或软化恶劣温度条件下，所以很适合用于支撑灯，高热量单位。

玻璃：增强玻璃，用于扫描部分，失效前的表现，所以应变速率效应不被考虑

图4，EPP45材料的压缩试验

图5在EPP45材料的归一化的应力 - 应变曲线压缩测试条件

表2材料特性

3.3模块内部物理性质定义

我们开发的有限元模型，包括动态内部零件的特点。这是非常重要的，了解他们的动态行为，因为形状和内部模块的结构很微妙，也敏感。例如，如在灯的光学单元是非常脆弱的，并且可以很容易地发生作为冲击负荷的结果导致调色剂泄漏。考虑内部模块等部位之间的干扰现象，我们模仿他们具有实际刚体二维几何边界网格，因为这些部位有冲击载荷条件下几乎不变形。在每个内部部分的质量中心惯性效果也受到包括质量惯性的影响。这些数据由自动CAD软件从质量分布和内部模块的三维CON组fi guration数据产生，总结于表3中。

表3虚设部件的物理性质

3.4加载和边界条件

3.4.1负载。

重力加速度与初始速度被施加到有限元模型来模拟自由下落的状态。由3458毫米/ s的初始速度从衍生，滴用公式61厘米高度。 （1）。跌落仿真开始前右模型影响的地板因为无显着

通过空气在秋季发生

3.4.2联系。

在这种分析中，我们考虑3种情况接触条件]。首先，在壳体和坐垫之间的相互作用可以被建模为一个壳之间的接触和坚实的元素。其接触刚度是德科幻通过点球定义方法。

方法是将所有的正常界面弹簧穿透节点和接触表面。目前有三种算法（处理标准制定，软约束处理配方，并根据细处理配方）的。基于段的接触一般于实体和壳体单元接触算法

等式（2）被称为基于段的处理的制剂。SLSFSC，SFS，SFM和规模都是因素滑动界面处罚，刚度，主要是刚性，分别M1和M2是所述壳段和固体段，群众分别和DTC是时间增量。

第二个案例是一个壳壳相互作用，这经常发生内部模块和外壳之间。该处标准制剂在方程（3）中用于模拟这种接触。刚度き在体积模量Ki和方面给出的面对区域

内部接触状态也被认为防止当一个实体单元发生过度变形出现负积问题。图6显示了

阻尼通过内部接触的效果。内部接触刚度是由科学定义

在式（4），PSF是比例因子，体积是体积砖的元素，E是组成模量和Min。厚度为固体元素的最小厚度

图6减震效果，防止负积; （a）未使用内部接触条件（b）使用内部接触条件

3.4.3约束。

图7示出该组件的连接使用节点组约束条件。有在MFP中的产品通常用于多个连接方法，如螺栓/螺母，焊接和卡扣连接吨。每个连接方法进行了测试有限元模型通过调整位置和节点的数量在节点集。

图7节点设置约束条件

4结果与讨论

4.1有限元模型验证。

加速廓的时间域是来自跌落试验的影响和数值分析得到为六个方向。以一个对象的特征被冲击加速度的加速度峰值和持续时间方面的第一个半正弦波来确定。图8示出了归一化的加速度廓为仿真和实验中的向下方向的情况下。仿真和实验和持续时间之间的误差分别是8％和4毫秒峰值，。加速廓之间的这种差异可以很可能归因于许多因素，包括结构的复杂性，简化的建模和测量不确定度。表4总结了所有六个测试方向标准化峰和持续时间的数据。模型整体能量平衡进行了分析，以验证有限元模型的质量。通常，总的增加能量应的初始能量小于10％，和比沙漏能量与总能量的应小于的10％。图9显示，在总能量和的增加沙漏能量的比率分别为5％和2％。该动能转换对象时的应变能量影响的底层。一旦反弹，应变能部分地变为再次动能和剩余能量是由缓冲包装为残余应变能量吸收。

图8全球冲击加速度廓来自实验与仿真向下跌落试验。数据每10ls收集。

表4从加速廓的峰值和持续时间实验和模拟

图9用于前跌落试验归一化能量平衡

4.2抗冲击性评价。

通常，产品的耐冲击性的评价是有限的。由于测量DIF内部部件的耐冲击性的数据实在是太复杂麻烦，它们通常是简化的，甚至忽略不计。然而，在此研究中，内部模块震动敏感也被列入造型更准确地评估在MFP产品的耐冲击性。从冲击和振动的组件故障的行为分为以下两类，以及不同的耐冲击性的评价方法进行了施加到每个。

类别（1）硬故障：故障涉及永久性的物理损坏，使设备无法履行其内在功能，振动被终止，即使之后。硬故障一般会导致可观察到的损坏，如在元件结构骨折。

类别（2）软故障：涉及故障或性能振动曝光时的恶化，使设备无法达到其预期的故障

的目的，但是在振动结束之后，设备没有透露任何损伤，功能正常。柔软的失败最常见的发生在电子和光学元件，虽然偶尔可能会出现软故障复杂的机械分子.变形部分，包括壳体，框架，和缓冲包装，都划为硬故障的情况下，和内部模块，不变形，但敏感的冲击，是

划为软故障的情况。硬盘故障是由估计与组分材料的屈服强度应力分析，和一个冲击脆性评价被用来研究软故障。

4.2.1应力分析和强度评价。

为硬如壳体和框架这种故障的情况下，它们的脆性是通过在应力集中的部分材料的屈服强度与最大等效应力点进行比较评价。图10示出的应力分布和框架为左跌落试验的应力集中位置。 通常，应力集中发生不久的组件关节和影响面。图11示出的应力

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