FEA STRUCTURAL SIMULATION

有限元结构仿真
跌落 · 落球 · 强度虚拟验证

在开模之前,用有限元把产品「摔一遍、压一遍、震一遍」。整机跌落、小球冲击、按压强度、振动疲劳,全部在电脑里跑完,用应力应变结果指导结构改良,把试错成本从模具搬到仿真。

1.5m
典型跌落高度
6+26
面/棱/角工况
100万+
网格规模
3-7
报告交付 工作日
h Min 等效应力 / 塑性应变云图 Max
消费电子 汽车零部件 医疗器械 智能家电 物联网设备 可穿戴设备 工业设备 消费电子 汽车零部件 医疗器械 智能家电 物联网设备 可穿戴设备 工业设备
WHY SENRMOLD CAE

为什么森瑞的仿真更贴近真实量产

仿真不难,难的是让仿真结果和实物摔出来的结果一致。我们的优势来自二十年注塑量产数据与试验对标的积累。

塑料本构材料库

自建工程塑料材料库(ABS/PC/PC+ABS/PP/PA+GF/POM/TPU 等),含弹塑性曲线、失效应变与应变率相关性,而非只用一个弹性模量糊弄——这是跌落仿真准不准的第一道分水岭。

模流→有限元 各向异性映射

注塑件强度不是各向同性的。我们把 Moldflow 的纤维取向与残余应力结果映射到有限元模型,让玻纤增强件(PA+GF)的仿真结果贴近实际断裂位置。

与结构设计同团队闭环

仿真工程师与结构工程师同一团队,发现问题不是只交一份报告,而是直接给出改结构的具体方案:筋位加在哪、R 角放多大、卡扣改多长,一次说清。

试验对标与经验修正

自有跌落与冲击试验条件,仿真—实测反复对标,累积了一套修正经验(接触参数、阻尼、失效判据),避免「仿真通过、实物开裂」的尴尬。

工况库覆盖主流标准

跌落姿态(6 面+12 棱+8 角)、落球规格、按压与扭转工况按 IEC/GB/ASTM/ISTA 及客户企标建库,开项目直接调用,不用从零定义。

可直接对外的仿真报告

报告含模型说明、材料参数来源、网格与边界条件、云图结果、判据评估与改善建议,格式可对齐客户模板,能直接提交给客户品质部门或终端客户审核。

SIMULATION CAPABILITY

核心仿真能力

围绕塑胶结构件与整机产品的力学可靠性,提供从显式冲击到隐式强度、从模态到疲劳的完整分析能力。

SIMULATION WORKFLOW

仿真作业流程

十步标准化流程,每一步都留档可复核:模型来源、材料出处、网格质量、边界条件与判据全部写进报告。

需求与工况定义

标准/高度/姿态

几何清理简化

抑制非受力细节

材料本构标定

弹塑性+失效

网格划分

质量与收敛控制

接触与边界

摩擦/约束

求解计算

显式/隐式

后处理云图

应力/应变/位移

判据评估

通过/风险/失效

改善方案

结构优化建议

试验对标

实测复核修正

LOAD CASE & CRITERIA

典型工况与评判准则

仿真的结论必须落在明确判据上——不是「看起来还行」,而是量化的应变、变形与安全裕度。

工况类别典型参数设置参考标准评判准则
整机自由跌落高度 1.0/1.2/1.5m;混凝土或钢板刚性地面;6 面+12 棱+8 角IEC 60068-2-31、GB/T 2423.8外壳无贯穿裂纹;等效塑性应变 < 材料失效应变 70%;卡扣不脱开;内部器件无接触干涉
包装运输跌落按重量分级高度;带包装/裸机对照;多次跌落累积ISTA 1A/2A、GB/T 4857.5产品功能正常;外观无明显变形;缓冲件吸能符合设计预期
小球冲击(落球)钢球 Φ13~Φ50mm,质量 8g~500g;落高 0.3~1.3m;命中中心与边角ASTM D5628、GB/T 2611冲击点无裂纹与穿透;透明件无碎裂;凹陷深度在允收范围内
面板/按键按压静压 30~200N;压头 Φ6~Φ12mm 或指压模型客户企标/IEC 60950 相关条款最大位移 < 设计间隙;应力 < 屈服强度/安全系数 1.5
整机扭转与弯曲扭矩 0.5~5N·m;三点弯曲跨距按产品长度客户企标无永久变形;结构件应力 < 屈服强度;屏幕无异常受压
卡扣插拔插拔速度 10~100mm/min;循环 10~50 次客户企标插入力在装配可接受区间;保持力 > 设计门槛;循环后无残余变形与断裂
模态与随机振动频率 5~2000Hz;PSD 谱按车载/运输条件GB/T 2423.10、ISO 16750-3一阶固有频率避开激励主频;应力小于疲劳极限;预测寿命满足要求
高低温循环-40℃~85℃ 循环;结合模流翘曲初始应力GB/T 2423.22尺寸变化在公差内;装配应力不导致开裂;密封面压缩量仍达标
应力/应变云图
低 → 高
判据 1
塑性应变裕度

等效塑性应变与材料失效应变之比 < 0.7,保留 30% 安全裕度应对批次与工艺波动。

判据 2
变形与间隙

最大位移必须小于设计避空间隙,确保跌落瞬间不挤压屏幕、电池与 PCB。

判据 3
连接完整性

卡扣、螺柱与焊线在冲击过程中不脱开、不拉脱,保持力仍高于设计门槛。

判据 4
功能可用性

冲击后按键行程、开合手感与密封压缩量仍在允收范围,产品功能不受影响。

MATERIAL MODEL

塑料材料本构库

跌落仿真的准确度,八成取决于材料模型。我们按材料家族维护弹塑性曲线、失效应变与率相关参数,并结合实测修正。

ABS
韧性 · 通用

弹塑性+应变率相关;常用于外壳与结构件,跌落表现以塑性变形吸能为主,需关注焊线位置。

PC
高韧 · 抗冲

抗冲击性能优异但对缺口敏感;仿真重点是 R 角与应力集中区的最大主应变。

PC+ABS
均衡 · 主流

综合韧性与刚性,是消费电子与车载件主力材料;本构曲线按不同 PC 含量分档标定。

PP
低模量 · 大变形

大变形吸能明显,需用大变形非线性求解;关注永久变形与铰接部位疲劳。

PA+GF
高刚 · 各向异性

玻纤增强,力学各向异性明显;配合模流纤维取向映射,显著提升断裂位置预测准确度。

POM
耐磨 · 高刚

常用于齿轮与滑动件,关注疲劳与蠕变;冲击韧性较低,需重点校核尖角。

TPU / TPE
超弹 · 缓冲

用超弹本构(Mooney-Rivlin/Ogden)描述,评估缓冲吸能与密封压缩行为。

PMMA / PC 镜片
透明 · 脆性

脆性失效判据(最大主应力),落球冲击破裂风险为核心关注点。

金属嵌件/钣金
弹塑性 · 硬化

螺母、支架、屏蔽罩等采用金属弹塑性模型,评估与塑料的接触应力与拉脱风险。

材料参数来源:供应商官方物性表 & 森瑞自建原料数据库(含 13 个树脂家族、90+ 工厂内部牌号的密度、干燥与成型参数)。 关键项目可安排实测拉伸/冲击试样标定曲线,进一步提高仿真置信度。查看材料数据库 →

SOLVER & SCALE

求解器与计算规模

显式与隐式双求解体系,配合工作站算力,兼顾跌落冲击的高非线性与静强度分析的精度要求。

Abaqus
显式/隐式
Explicit+Standard
Ansys
结构/模态
Mechanical
LS-DYNA
冲击专精
高速碰撞
100万+
网格规模
六面体/四面体混合
Moldflow
工艺耦合
翘曲/纤维取向
3–7
报告交期(工作日)
视工况数量
仿真分析报告(PDF)

含模型描述、材料参数与来源、网格统计、边界条件、云图结果、判据评估与结论,可直接对外提交。

结构改善建议清单

按优先级排序的具体改structure动作:筋位/R 角/壁厚/卡扣尺寸/材料替换,附预期改善幅度。

云图与动画

应力/应变/位移云图,跌落过程动画(GIF/MP4),便于评审会上直观沟通。

对比分析表

改善前后方案的量化对比(最大应变、最大位移、安全裕度),支撑设计决策。

模型文件(可选)

按客户要求交付 inp/cdb 等求解模型文件,便于客户内部复算或二次分析。

试验对标建议

给出建议的实测验证方案(跌落姿态优先级、测点布置),让有限的实物样件用在最关键的地方。

CASE STUDIES

仿真验证典型案例

以下为代表性仿真项目类型(示例,非特定客户),展示跌落、冲击与强度验证的实际应用。

消费电子示例

手持终端 1.5m 跌落优化

26 姿态扫描定位到角跌落时上壳卡扣根部塑性应变超标。通过加大根部 R 角至 0.8mm、增设三角骨位,最大塑性应变下降 42%,实物跌落测试一次通过。

26 姿态应变 -42%一次通过
面板落球示例

面板钢球冲击(ASTM D5628)

Φ38mm 钢球 1.0m 落高冲击装饰面板中心,原方案 PMMA 镜片最大主应力超出断裂强度。改为 PC 镜片+背面加环形支撑筋后,应力降至安全区,落球测试无裂纹。

落球冲击材料替换无裂纹
车载件示例

车载支架随机振动耐久

PA+GF 支架一阶模态与车身激励主频接近,随机振动下根部疲劳寿命不足。调整筋板走向抬升一阶频率 38%,预测寿命提升一个数量级。

模态分析频率 +38%疲劳提升
医疗器械示例

手持医疗设备按压与跌落

医用 PC 外壳同时校核 150N 面板按压与 1.2m 跌落。通过局部加厚与内部支撑柱设计,按压位移由 1.4mm 降至 0.5mm,同时跌落不开裂。

按压强度位移 -64%双工况
0
累计仿真分析项目
0
跌落姿态工况库
0
仿真-实测判定一致率
0
平均试模次数降低
CORE METRICS

核心指标 · 量化实力

仿真的价值不在云图好看,而在少开一次模、少摔一批样、少改一版结构。下方为典型项目统计。

90%
仿真-实测判定一致率
通过/失效判断吻合
85%
失效位置预测准确率
断裂点定位一致
40%
试模/打样次数降低
问题前移到仿真阶段
94%
改善方案有效率
按建议改后通过测试
96%
报告一次交付通过
客户审核无返工
90%

仿真-实测一致率

96%

报告准时交付率

85%

失效位置命中率

注:以上为典型项目统计区间。仿真为工程预测手段,其精度受材料批次、成型工艺、装配状态与实际使用条件影响;关键安全件建议以实物测试作为最终验收依据,仿真用于方案筛选与风险前置。

ANALYSIS TYPE

分析类型对比与选型

不同问题要用不同求解方式。点击标签,快速判断您的产品该做哪一类分析。

整机跌落仿真(显式动力学)

适合评估产品整体抗摔能力。求解时间短(毫秒级物理时间),但网格与接触设置要求高,是消费电子最常用的验证手段。

何时该做

手持/便携产品、外壳强度存疑、卡扣结构复杂、客户明确要求跌落测试。

输入需要

整机 3D 数模(含内部主要器件)、材料牌号、跌落高度与姿态要求、器件重量分布。

输出结论

各姿态最大塑性应变/位移排序、失效风险点定位、结构改善优先级。

小球跌落冲击(局部冲击)

针对局部而非整机:面板、镜片、屏幕盖板受到集中冲击时的破裂与凹陷。模型可局部化,计算量小、迭代快。

何时该做

有大面积平板/透明件、面板需通过落球测试、材料从 PMMA 换 PC 需评估。

输入需要

受冲击区域数模、钢球规格与落高、背面支撑结构、材料脆性参数。

输出结论

最大主应力/应变、裂纹起始位置、允许落高上限、背面支撑筋优化方案。

静强度与刚度(隐式静力)

评估长期或缓慢加载下的变形与屈服。计算稳定、结果直观,适合按键手感、面板刚度与装配预紧评估。

对比维度静强度分析(隐式)跌落冲击分析(显式)
加载速率缓慢/准静态毫秒级高速冲击
关注结果最大位移、屈服风险、刚度塑性应变、失效、器件干涉
材料模型弹性/弹塑性即可必须含应变率与失效判据
典型工况按压、扭转、预紧、堆码跌落、落球、碰撞
计算成本低,小时级较高,多姿态需并行
适用判据应力 < 屈服/安全系数应变 < 失效应变 × 0.7

振动与疲劳耐久

先用模态分析找出固有频率,再用随机振动或正弦扫频评估长期耐久,最后用疲劳求解预测寿命。

何时该做

车载/运输环境、产品带马达或风扇、客户要求振动耐久测试。

输入需要

整机数模与配重、支撑与固定方式、激励谱(PSD/扫频)或工况描述。

输出结论

各阶固有频率与振型、应力响应、疲劳寿命预测、结构频率调整方案。

模流耦合分析(工艺-力学联动)

把注塑成型的真实后果带进力学分析:熔接线位置、纤维取向、残余应力与翘曲初始形状,全部作为力学分析的初始条件。

何时该做

玻纤增强件、薄壁大件、熔接线落在受力区、仿真与实测结果偏差大时。

输入需要

3D 数模、材料牌号、浇口方案与工艺参数(或由我们同步做模流分析)。

输出结论

含各向异性与残余应力的力学结果、熔接线弱化影响评估、浇口位置改善建议。

FAILURE MODE & FIX

常见失效模式与改善对策

下表汇总跌落与强度仿真中最高频的失效模式,以及我们在结构端的标准改善手法。

失效模式仿真表现根因分析改善对策
外壳角部开裂角跌落时局部塑性应变超失效值角部为应力集中区,R 角过小或壁厚突变加大外/内 R 角,角部局部加厚或增设三角骨位,必要时改高韧材料
卡扣崩脱/断裂卡扣根部应变集中,接触力瞬间超保持力悬臂过短过厚、根部无 R、倒扣量偏小长厚比调至 5–10,根部 R≥0.3mm,倒扣量与保持力重算,增加卡扣数量分散载荷
螺柱拉脱/根部裂螺柱根部主应力超屈服,出现环向裂纹螺柱壁厚偏薄、底部无过渡 R、预紧过大底部加 R 与加强筋,壁厚控制在主壁厚 60%,规范装配扭矩
上下壳分离接合面间隙瞬时张开超设计值固定点间距过大、仅靠卡扣无螺钉辅助缩小固定点间距(≤60mm)、关键位加螺钉、增加导向柱限制相对位移
镜片/透明件破裂最大主应力超脆性材料断裂强度PMMA 等脆性材料+背面缺少支撑改用 PC,背面增设环形/网格支撑筋,边缘加缓冲胶条分散冲击
PCB 与器件受压跌落瞬间壳体位移大于避空间隙避空间隙不足、壳体刚度不够加大避空间隙、增加壳体骨位提升刚度、器件周边加缓冲泡棉
熔接线处开裂断裂位置与仿真最大应力位置不符,落在熔接线浇口方案使熔接线落在受力区调整浇口位置或增加浇口数量,或结构上把受力路径移开熔接线
玻纤件沿流动方向断裂各向同性模型低估断裂风险PA+GF 力学各向异性,垂直流向强度显著较低做模流耦合映射纤维取向,调整浇口使纤维方向与主受力方向一致
振动疲劳断裂一阶频率落在激励带内,根部应力循环超疲劳极限结构刚度不足或质量分布不合理调整筋板走向抬升固有频率、增加固定点、局部加厚降低应力幅

关于仿真结果的工程定位

有限元仿真是工程预测手段,用于方案筛选、风险前置与改善方向判断,其绝对数值受材料批次、成型工艺、装配状态、接触与摩擦条件等因素影响。森瑞在报告中会明确标注模型假设与参数来源,并给出与实测的对标建议。涉及人身安全或强制认证的关键结构,请以实物测试与第三方检测报告作为最终验收依据。

FAQ

常见问题

关于结构仿真合作,您可能关心的问题。

做一次跌落仿真需要我提供什么?+

最少需要三样:① 整机 3D 数模(STEP/X_T/原生格式均可,含内部主要器件如 PCB、电池、屏幕的简化体);② 各零件材料牌号与供应商;③ 测试要求(跌落高度、姿态、地面类型、判定标准)。若器件重量分布未知,我们可按经验赋值并在报告中标注假设。

仿真结果和实际摔出来的结果差多少?+

在材料参数可靠、边界条件合理的情况下,我们的跌落仿真在「通过/失效」判定上与实测一致率约 90%,失效位置命中率约 85%。绝对应变数值通常有 10–25% 偏差,因此我们采用保留 30% 安全裕度的判据,而不是卡在临界值上做结论。

仿真周期多久?能加急吗?+

单一工况(如面板落球)通常 3 个工作日;整机 26 姿态跌落扫描 5–7 个工作日;含模流耦合或疲劳分析的复杂项目 7–12 个工作日。紧急项目可先跑 6 面+4 个最危险角的快速版本(约 2 天)给出初步结论,再补齐完整工况。

我的产品还在结构设计阶段,什么时候介入仿真最合适?+

最佳时机是 3D 结构基本成型、拆件方案已定、但尚未出 2D 图和开模之前。这时改结构成本最低。我们通常建议做两轮:结构定稿前一轮找问题,改良后一轮做确认。若已经开模,仿真仍可用于定位试模开裂原因并指导改模。

只做仿真不做结构设计和模具,可以吗?+

完全可以,仿真是完全独立的服务。您提供数模与要求,我们交付分析报告与改善建议,不涉及后续开模义务。当然,若结构设计与仿真都由我们做,改善建议可以直接落到数模上,迭代速度会快很多。

报告能直接给我的终端客户看吗?+

可以。报告按工程规范撰写,包含模型说明、材料参数出处、网格统计、边界条件、结果云图、判据评估与结论,并可按客户模板调整格式与语言(中/英)。很多客户直接把我们的报告作为向终端客户提交的设计验证材料。

在开模之前,先把产品摔一遍

一次仿真的成本,远低于一次改模。把您的 3D 数模和测试要求发给我们,48 小时内给出仿真方案建议、工况清单与报价。