ABAQUS仿真軟件在帶觸摸振動結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品中的應(yīng)用

[摘要]通過運用ABAQUS仿真軟件，對汽車空調(diào)控制面板的觸摸振感進行驗證，用于指導電磁鐵的選型及輸入信號的設(shè)置。同時，對控制面板A面整體的振感一致性進行校核、驗證。結(jié)果表明：電磁鐵作為振動的輸入源，其工作時磁隙區(qū)間的選擇、脈沖電流的輸入，會直接影響實際推力的輸出；并且在對仿真結(jié)果與實測結(jié)果對比后，可基本肯定ABAQUS軟件動力學仿真的精度，及其在觸摸振動結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中應(yīng)用的必要性。

[關(guān)鍵詞]ABAQUS；電磁鐵；觸摸振感；振動一致性

中圖分類號：U463.6文獻標志碼：A文章編號：1003-8639（2023）

Application of ABAQUS simulation software in products with touch vibration structure

Fang Jianzhong1，Chen Jie1，Han Houji1，Liu Guocheng1

（Zhejiang Changjiang Automobile Electronic System Co.，Ltd.， Wenzhou 325000， China）

[Abstract] By using ABAQUS simulation software， the touch vibration of automobile air conditioning control panel is verified， which is used to guide the selection of electromagnet and the setting of input signal. At the same time， check and verify the vibration consistency of the whole A side of the control panel. The results show that as the vibration input source， the choice of magnetic gap interval and pulse current input will directly affect the actual thrust output. After comparing the simulation results with the measured results， the accuracy of dynamic simulation of ABAQUS software and the necessity of its application in the design process of touch vibration structure can be basically confirmed.

[Key words] ABAQUS; Electromagnet; Touch vibration; Vibration consistency

收稿日期：2023-03-10

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車內(nèi)飾產(chǎn)品的設(shè)計理念已經(jīng)由實現(xiàn)功能轉(zhuǎn)變?yōu)榱梭w驗、感覺、科技等新名詞?？刂泼姘逭紦?jù)著汽車中控區(qū)域大部分空間，所以其產(chǎn)品的各方面指標尤其嚴苛。隨著觸摸屏在汽車內(nèi)飾中的普及，車載觸摸面板已經(jīng)逐步替代傳統(tǒng)的機械開關(guān)結(jié)構(gòu)。而觸摸面板的振感反饋功能作為其核心技術(shù)，直接影響著用戶的體驗。

觸摸面板的信號處理技術(shù)及原理與手機等消費電子類似[1]，但由于其尺寸遠大于手機，所以其振源的輸出功率要比手機大，且其面板上各個位置的觸感也會因產(chǎn)品尺寸及剛度分布而受到影響。

本文通過對電磁鐵的選型設(shè)計，并通過ABAQUS有限元軟件，對某車型空調(diào)面板的觸摸振動結(jié)構(gòu)觸感一致性進行仿真分析，最終經(jīng)實際測試，以提供電磁鐵選型設(shè)計的方法，及驗證有限元仿真軟件在此類產(chǎn)品中的應(yīng)用必要性。

空調(diào)面板結(jié)構(gòu)及各部分功能

此空調(diào)面板如圖1、圖2所示，主要分上下兩部分，上半部分由LENS及其組件、鐵支架組成，下半部分由電磁鐵、后蓋、PCB及發(fā)光組件等組成，上下部分由金屬彈片連接。裝車時下半部分固定到整車骨架上，上半部分實現(xiàn)自由振動。

LENS組件用于觸摸及信號識別；鐵支架用于結(jié)構(gòu)整體增強及承受電磁鐵沖擊載荷；電磁鐵提供振動激勵源；金屬彈片作為上下兩部分結(jié)構(gòu)的支撐； PCB組件及殼體用于信號處理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)保護。其中電磁鐵作為激勵源，決定著振動產(chǎn)生的手感類型。

電磁鐵的選型設(shè)計

根據(jù)振動要求（LENS工作行程0.15mm±0.05mm）及產(chǎn)品品質(zhì)，大概預估電磁鐵推力[3]及行程需求，進而初步選擇磁鐵型號。

磁鐵電磁吸力計算：

（1）

式中： ——通過鐵芯極化面的磁通量，Max；S——鐵芯極化面面積，cm^2； ——未吸合時銜鐵和鐵芯的氣隙長度，cm； ——修正系數(shù)，一般在3～4之間。

在式（1）中磁通量為：

（2）

式中： ——線包的安匝值； ——工作磁通的磁導，H。

在式（2）中工作磁通的磁導為：

（3）

式中： ——銜鐵旋轉(zhuǎn)位置到鐵芯中心的長度，cm； ——空氣中的磁導率，數(shù)值為 （H·cm-1）； ——極化面的半徑，cm。

根據(jù)設(shè)計參數(shù)，經(jīng)計算初步選定電磁鐵參數(shù)如表1所示，電磁鐵磁隙與推力關(guān)系曲線如圖3所示。

設(shè)計電磁鐵輸入脈沖電流持續(xù)時間為6.5ms，由于電磁鐵磁性材料影響[4]，無法使電磁鐵瞬間達到磁飽和狀態(tài)，所以電磁鐵實際輸出推力要小于標定值，且實際推力輸出曲線并非嚴格的脈沖曲線，如圖4所示。

3 "仿真與實驗驗證

使用ABAQUS建立有限元模型[6-7]，各零件材料及參數(shù)見表2。

施加邊界條件為：約束彈片與面板下半部分連接的螺釘孔移動自由度；各零件間螺釘孔位置采用剛體耦合連接。

分析過程分兩步進行，第1步計算整體模態(tài)，第2步對觸發(fā)臂施加沖擊載荷，并進行受迫振動分析。沖擊載荷持續(xù)6.5ms，最大值為5N。

分別采集LENS上如圖5所示中4個區(qū)域的X向加速度結(jié)果。

產(chǎn)品的前三階模態(tài)計算結(jié)果如圖6所示，一階模態(tài)滿足大于75Hz的要求。6.5ms時，LENS的X向加速度仿真結(jié)果如圖7所示，各區(qū)域X向加速度曲線如圖8所示。

使用振動測量儀，測試樣件LENS上規(guī)定各區(qū)域的加速度曲線，測量儀器如圖9所示。

測試時，傳感器貼合面貼于被測區(qū)域，傳感器的X、Y、Z方向必須與產(chǎn)品對正，以免產(chǎn)生過大誤差。測試過程如圖10所示（僅列出中下區(qū)域測試方法），各區(qū)域加速度測試結(jié)果如圖11所示，各點加速度仿真結(jié)果與實測結(jié)果見表3。

從仿真與實測的結(jié)果看，仿真誤差最大3.5%，基本滿足精度要求[8]。

以實測結(jié)果為準，計算面板4點加速的平均值及最大偏差。

平均值=（∑?各點值）/4（11）

最大偏差=（MAX（|最大值或最小值-平均值|））/平均值 "（12）

按照客戶要求：4個區(qū)域平均加速度為25（m·s-2）±5（m·s-2），加速度最大偏差不得高于5%。如表4所示，可以判斷設(shè)計方案滿足上述要求。

結(jié)論

通過仿真分析與實測驗證，可得到如下結(jié)論。

1）電磁鐵作為振動發(fā)生源，其推力值受內(nèi)部磁隙影響大，選取時通常根據(jù)面板結(jié)構(gòu)的尺寸公差，選取推力值相對變化較小的磁隙區(qū)間作為工作段，以免引起異常振型。

2）通常為電磁鐵提供的脈沖電流持續(xù)時間較短，此時電磁鐵無法到達磁飽和狀態(tài)，所以其輸出推力值要小于實際標定值，且推力輸出曲線也非脈沖形式，實際推力需以實際測量為準。

3）對于觸摸振動結(jié)構(gòu)，對其進行有限元仿真能夠有效減少樣件的制作成本及縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。同時也證明了ABAQUS軟件對此類產(chǎn)品仿真結(jié)果的可靠性。

參考文獻：

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（編輯 "楊 "景）