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消防员的工作环境错综复杂，条件十分恶劣。消防员在工作时需要佩戴安全头盔和消防面罩，以防止工作场所中的有毒有害物质及高空坠落物体对消防员的伤害。但其中存在一个核心问题是消防面罩的密封性能非常好，使得隔音效果很好，消防员即使通过对讲机也难以与其他队员保持良好的通信，给救援工作带来不便，图1为消防面罩外形图。为了方便消防员能随时进行通话，研发人员设计出了一套新的安防产品，新产品在原有的消防面罩两侧配有扩音模块和通信模块，用SolidWorks软件建立新产品的三维模型，如图2所示。消防员可以利用扩音模块将自己的声音放大到面罩外，从而可以和现场其他人员交流，而通信模块则起到随时保持消防员之间通信的作用。安防产品的外壳需要满足阻燃、耐热、抗跌落、抗冲击等性能。本文主要介绍了安防产品材料选择的过程，利用有限元软件仿真分析了某种材料新产品的抗冲击能力，从而为新产品材料的最终确定提供有力的依据和指导作用。
图1 消防面罩
图2 安防新产品
1 安防产品有限元仿真的必要性
在新产品的开发中，研发人员往往耗费大量时间与资金针对产品的抗冲击性能进行相关的冲击试验。这类冲击试验只有在产品制造实现之后才能进行，一旦发现产品缺陷而对设计进行修改，就意味着原样品的报废与新样品的再制，如此循环直到满足要求为止，既耗费时间又增加成本。安防产品在携带及使用中，经常会出现设备跌落，造成对产品的冲击，与其它产品设计相比，安防产品需要满足更高的冲击性能。安防产品材料的选择至关重要，产品外壳需要在恶劣的环境下能保护内部组件正常工作，因此安防产品的外壳必须阻燃、耐热性好，而且要满足在温度变化范围大的情况下保持优越的机械性能。仿真技术作为一种新型快速的研究方法得到了广泛的使用，越来越多的研发单位倾向于运用CAE分析来改进产品的设计。利用有限元软件对安防产品进行冲击分析，可以帮助研发人员在产品尚未批量生产之前找到产品的易损部件，在产品设计初期找出问题发生的起点，从而改进产品的设计，起到省时、省钱和提高设计质量的作用，进而最终降低产品的研发成本，加快产品的上市速度。
2 产品外壳薄弱部位的冲击分析
2.1 产品材料
PPA（聚对苯二酰对苯二胺）材料是一系列半结晶性工程聚合物，具有优越的阻燃性能和机械性能，它介于传统的热可塑性工程材料和高成本的特种聚合物之间，兼具成本低与性能佳的优点。在结构性的应用方面，玻璃纤维增强型材料在高温下具有更高的刚度、强度和抗冲击性。经过分析，选择16%的玻璃纤维增强型为新产品外壳的材料。该材料的阻燃性好，耐高温，防火等级可达到V-O级，热变形温度高达300℃以上，连续使用温度可达170℃，能满足短期和长期的热性能，可在一定的温度范围内和高湿度环境中保持其优越的机械性特性及抗冲击性。
2.2 实验方法
针对便携式电子产品，权威部门制定了电子产品环境适应性测试的相关标准。国内环境适应性领域的标准以环境试验方法为主，有关环境条件、环境试验设备技术条件、环境测量、数据处理分析、环境时样与环境条件的国际和行业标准主要是GB/T-2423《电工电子产品环境试验方法》。
GB/T2423.8-1995标准中对跌落冲击环境试验作了如下规定：
(1)试验目的：确定产品在使用期间遭到冲击的适应性，或确定安全要求用的最低牢固等级。
(2)试验表面：试验表面应是混凝土或钢制成的平滑、坚硬的刚性表面。
(3)跌落高度：应从下列值中选取跌落优选高度：25、100、500、1000mm，对于小型产品，跌落高度为1000mm，这里选择1000mm作为安防产品跌落冲击的实验高度。
(4)释放方法：本文所进行的安防产品冲击试验中选用试验表面的是刚性地面，释放方法为1000mm高度自由释放。
设安防产品质量m约为0.152kg，取g=9.8m/s2，当安防产品从高度H=1000mm自由落体所做功为：
Q=mgH=0.152×9.8×1.0=1.49J
经过分析，可以确定安防产品最薄弱区域为耳机的上盖。当耳机上盖与刚性地面正面碰撞时，将对产品造成最大的冲击伤害。由于本文是针对产品外壳的抗冲击分析，并未涉及到产品内部的功能，为了减少软件运算的时间和复杂度，可以将此分析简化为耳机上盖自由跌落所做功为1.49J时，与刚性地面的正面碰撞。
2.3 有限元冲击模拟分析
有限元模型的材料参数见表1采用的仿真分析方法如下。
表1 有限元模型的材料参数
1)分析模式：采用跌落测试的方法。
2)网格划分：网格精度采用高雅克比算法的网格器划分模式，如图3所示。
图3 耳机上盖有限元模型
3)跌落工况：耳机上盖与地面的正面碰撞。
仿真结果：
(1)1.5J能量的冲击。图4是模型正面跌落仿真的应力值，图5是模型正面跌落仿真的应变值。从图中可以看出，耳机上盖所受的最大应力和应变集中在中间格栅处，最大应力为192.5MPa，最大应变为1.5%，耳机上盖的材料为16%玻璃纤维增强型PPA，其许用屈服应力是220MPa，许用屈服应变2.8%。可以看出，耳机上盖正面跌落仿真中所受的应力值和应变均未超过许用屈服应力应变。
图4 耳机上盖正面跌落碰撞的应力分布
图5 耳机上盖正面跌落碰撞的应变分布
(2)2.0J能量的冲击。图6是模型正面跌落仿真的应力值，图7是模型正面跌落仿真的应变值。从图中可以看出，耳机上盖所受的最大应力和应变集中在中间格栅处，最大应力为232.6MPa，最大应变为2.1%。耳机上盖的材料为16%玻璃纤维增强型PPA，其许用屈服应力为220MPa，许用屈服应变2.8%。可以看出，耳机上盖正面跌落仿真中所受的应力值超过其许用屈服应力，应变未超出其许用应变。
图6 耳机上盖正面跌落碰撞的应力分布
图7 耳机上盖正面跌落碰撞的应变分布
通过上述的仿真分析，可以得出，耳机上盖的最大应力集中分布在中间格栅处，此模型虽未通过2.0J能量的冲击作用，但其能够承受1.5J能量的冲击作用，已经达到设计要求。
2.4 冲击实验的验证对比
通过对新产品进行不同等级冲击仿真的有限元分析后，为了验证该仿真的准确性，需要对PPA玻璃纤维增强型材料试样进行实验验证。为了保证物理实验的准确性，利用实验室不同的实验设备对样品进行两种冲击测试。
测试样品：PPA玻璃纤维增强型材料样品两组，每组3个样品，对每个样品进行编号。
测试标准：在GB/T2423.8-1995的基础上修改。
2.4.1 测试一
测试方法：通过输出能量为1J、1.5J和2J的弹簧冲击器对第一组样品指定部位分别进行能量为1J、1.5J和2J的冲击试验各3次，每次冲击过后需检查样品是否损坏，当发现样品出现裂纹或破损时，停止冲击，如图8所示。
设备名称：弹簧冲击器
产品商标：ED&D
产品规格：5110，F22.50
冲击能量误差：1.00±0.05J；1.50±0.07J；2.00±0.08J
2.4.2 测试二
测试方法：利用实验室的跌落冲击装置对第二组样品指定部位分别进行能量为1J、1.5J和2J的冲击试验各3次，每次冲击过后需检查样品是否损坏，当发现样品出现裂纹或破损时，停止冲击，如图9所示。实验用质量为m=0.5kg的钢球自由跌落冲击样品，由公式H=Q/mg求得各冲击能量下的高度。
图8 弹簧冲击实验
图9 跌落冲击实验
取g=10 m/s2;当冲击能量QL=1J，Q2=1.5J，Q3=2J时，分别得到冲击高度H1=200mm，H2=300mm，H3=400mm。
首先用固定装置固定好样品的位置，并通过支架调整钢球的位置，保证钢球跌落时和样品指定部位在同一直线上。然后按照计算，调整钢球和高度，分别设定对应200mm、300mm和400mm高度。最后释放钢球，钢球自由跌落对样品进行冲击。
设备名称：跌落冲击装置组成部分：0.5kg钢球；测量卷尺：不锈钢固定支架；样品固定装置。
冲击高度：H1=200mm；H2=300mm；H3=400mm。
冲击实验后，仔细检查两组样品的受损情况。第一组样品中，经冲击能量为1J和1.5J的弹簧冲击器各3次的冲击后，样品外观没有出现裂纹及破损情况，结构完整性没有破坏，能正常使用。经过冲击能量为2J的弹簧冲击器第二次冲击后，样品外观出现裂纹，结构完整性遭到破坏，不能正常使用；第二组样品中，经过冲击能量为1J和1.5J的钢球冲击各3次的冲击后，样品外观同样没有出现裂纹及破损情况，结构完整性没有破坏，能正常使用。经过冲击能量为2J的钢球第二次冲击后，样品外观出现破损情况，结构完整性遭到破坏，不能正常使用，如图10所示。
图10 耳机上盖物理跌落碰撞
结果对比，通过SolidWorks Simulation软件对样品模型进行冲击仿真有限元分析以及物理冲击实验的验证，可以得到PPA玻璃纤维增强型材料的样品能够承受1.5J能量的冲击作用，这与仿真结果很接近，由此可知有限元分析和实验验证是相一致性的。
3 结论
(1)新产品外壳最薄弱的部位能够承受1.5J能量的冲击作用，材料的选择符合设计要求。
(2)通过有限元仿真与物理实验对比验证的分析方法，仿真结果与物理实验结果非常接近，验证了有限元仿真分析的可靠性。
(3)采用SolidWorks Simulation软件为新产品进行冲击仿真分析，可以帮助研发人员事先预测，可及时修改产品设计，从而缩短开发过程，提高设计效率。
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