行业分享丨Altair SimLab显著提升电子产品跌落仿真效率

*林丽 汪雷 高上地 尤智雄

（大北欧通讯设备中国有限公司）

在消费电子产品行业中，面对巨大的市场和激烈的竞争，设计人员一直在探寻如何有效缩短研发时间，降低开发成本，提升产品质量。近年来，数值仿真已越来越多应用在消费电子和高科技行业，在产品设计中合理使用数值仿真是提升研发效率的有效途径[1]。而电子产品整机跌落仿真是其中一种常见的仿真类型。

通过跌落仿真，可以在设计早期查看结构的变形和损伤，以赶在开模之前对结构进行合理的优化：

跌落前后结构对比

跌落仿真与实验结果对比

一、跌落仿真设置过程-仿真工程师曾经的“痛苦源泉”

然而整机跌落仿真设置本身却曾经是仿真工程师的“痛苦源泉”——由于需要考虑整机所有部件（除了小部分简化）的结构和材料，通常模型十分复杂，对仿真工程师来说，是最不愿意面对的仿真任务：

这其中，需要耗费大量的仿真工程师几何清理和网格调整的时间，很多时候还需要和结构设计工程师进行反复的几何调整沟通。而网格划分的质量不仅会直接影响计算时间，更让人崩溃的是，很可能因为某个网格的质量较差，在计算过半，已经花费了大量等待时间后，会忽然出现因为网格畸变而 abort 的结果，并且网格的调试也没有明确的方法，只能不断耗费大量的计算时间以期待获得好的结果。

在一些比较标准的部件上，还可能通过经验的积累，形成通用的网格模版，然而消费类电子产品迭代快，外形和整体设计的变化都很大，很难形成比较通用的模版，并且往往有很多小特征，例如拔模角，小台阶，热铆柱，小缝隙等等，给模型简化和网格划分都带来很大的困难。

但另一方面，例如耳机等消费类电子产品通常并不要求划分六面体网格，因为这的确很难做到，只需要划分高质量的四面体单元即可，因此 SimLab 提供的方便易用的几何简化功能，和高效的四面体网格划分技术十分适用。

二、SimLab - 方便易用的简化功能

SimLab 提供了快速的几何简化功能，这使得仿真工程师可以自行快速批量处理小圆角，小台阶以及简化电子元器件和螺纹等。大大节约了和结构设计师之间的沟通成本，以及结构工程师的工作量。

SimLab 中提供了一些几何清理工具，可以方便用于螺栓，电子元器件，logo 等特征简化。

SimLab 中的共结点操作，可以快速合并小的间隙

三、SimLab - 高效的四面体网格划分技术

与之前我们所采用的某有限元软件的前处理模块相比，在 SimLab 中，无需进行繁琐的几何切分，虚拟拓扑等操作，只需要执行简单的 Mesh Control (网格控制)，即可快速高效的划分高质量的四面体网格，下图展示了使用其它有限元软件前处理器和 SimLab 划分的四面体网格质量对比。

可以看到不额外增加更多的几何切分和精细控制的情况下，SimLab 划分的网格质量远高于其它软件。尤其在一些细节处，例如这个例子中，卡扣这样的小特征，在 SimLab 中无需做切分和单独细化，即可获得质量较高的细节处的网格，而与 SimLab 相比，其他软件生成的卡扣网格则明显有较大的畸变，并且网格大小过渡态强烈，还需要进一步操作调整才有可能达到 SimLab 的类似效果。

而从网格数量上来看，对于该部件，其他软件划分的网格总数约为25W, 而 SimLab 仅为15W, 网格总数下降了40%。

在后续的计算中，同样采用 Abaqus Standard 求解器，用准静态分析多个卡扣的复杂接触问题， SimLab 划分的网格具有明显的优势，由于整体网格质量显著高于其它软件，解决了之前计算不收敛的问题。

网格划分	Solver	Result
其他软件	Abaqus/standard	很难收敛
SimLab	Abaqus/standard	计算收敛

值得一提的是，即便是与 Altair 自家的 HyperMesh 相比，在划分四面体网格的效率方面， SimLab 也是远超 HyperMesh （当然，HyperMesh 在六面体网格划分方面更具优势）,尤其对于一些小特征很多的结构。

四、通过自定义 Mesh Template 进一步提高前处理效率

尽管默认的网格模版已经能满足大部分需求，但做一些个性化的设置可以更有针对性的解决特定问题，因此，在 SimLab 中定义网格模版是一个非常推荐的方式——在仿真工程师有了一定的 SimLab 使用经验后，可以将网格划分经验统一在 SimLab 的 Mesh Template 中，可以轻松的将个人经验转换为团队成果。

以一个典型的耳机模型为例，如今，通过采用自定义的网格模版，即便针对整机60+的部件，仿真工程师只需让程序自动运行15分钟，喝上一杯咖啡的时间，就可以获得高质量的网格，让跌落仿真设置不再是一项痛苦的工作。

Meshing 60+ parts within 15mins using Meshing Template in SimLab

五、SimLab 中的跌落设置模版

在前处理方面，除了高效的几何清理和四面体网格划分技术，SimLab 还提供了跌落设置的“一条龙服务”——已经预先定义好的跌落模版。

只需点击 SimLab 界面中的 DropTest 图标，就可以使用了。

虽然跌落仿真本身的设置就不复杂，但是采用模版还是节约了不少手工的工作，例如根据高度换算落地瞬间速度，根据不同地板角度换算速度分量等，也让整个跌落设置的流程更清晰，不容易犯错，并且也可以适用于不同的求解器，例如 Radioss 和 Abaqus Explicit 都是适用的。

（图片来自 SimLab 官方教程）

六、SimLab + OpenRadioss极大提升仿真效率

而自 Altair 的 Radioss 开源为 OpenRadioss 以来，采用 SimLab 的优势愈加凸显，采用开源软件计算没有 License 的限制，可以用更多的核心数进行并行求解，计算效率倍增。具体提升情况如何呢？

我们做了一个内部的统计，自从2018年开始逐步使用 SimLab, 到2023年全面采用 SimLab ，一个典型的6方向跌落仿真所用的前处理的时间，从56小时降低到8小时，即粗略估计，一个仿真工程师过去需要用一周的时间处理跌落的模型，而如今，只需要一天。而自2023年以来，随着 Radioss 的开源，由于并行计算中，没有了 License 的限制，求解的时间也有了很大的飞跃。

七、总结

SimLab 是一个简单易上手的工具，尤为适合实体四面体网格划分——其易用的几何简化工具，高效的四面体网格划分技术，流程清晰的跌落设置模版，以及与开源软件 OpenRadioss 的无缝衔接——可以极大提升电子产品跌落仿真的效率，降低对工程师的时间精力占用，从而让仿真团队投身到更有意义的分析工作当中。

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Altair 是计算智能领域的全球领导者之一，在仿真、高性能计算 (HPC) 和人工智能等领域提供软件和云解决方案，服务于16000多家全球企业，应用行业包括汽车、消费电子、航空航天、能源、机车车辆、造船、国防军工、金融、零售等。

近期，Altair被全球工业软件领导者西门子收购，成为西门子数字化工业软件(Siemens Digital Industries Software)旗下成员，进一步巩固西门子在仿真和工业人工智能领域的全球领导者地位，其技术正与西门子Xcelerator解决方案进行深度整合。

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