如今，手机已成为现代人不可或缺的随身物品，即便没有拿在手中，也往往放在触手可及的地方。高频使用让手机不慎跌落的情况十分常见。据好事达保险公司的一项调查显示，2023 年约有 7800 万美国人报告手机受损，其中屏幕碎裂占损坏总数的 67%（参考文献1）。 手机跌落有时完好无损，有时却摔得粉碎，那么如何判断哪些跌落情况最易造成手机损坏呢？COMSOL Multiphysics® 软件 6.4 版本新增的显式结构动力学分析功能，可用于模拟手机跌落测试。
显式结构动力学功能简介
COMSOL Multiphysics® 6.4 版本推出了全新的显式结构动力学分析框架，使工程师能够模拟冲击、波传播、金属成形等瞬态且高度非线性的物理过程。该框架通过极小时间步长分析冲击、爆炸等快速事件。
6.4 版本软件更新推出了两个基于显式时间积分法的物理场接口，专为大变形、高应变率及涉及多物体的复杂接触工况优化设计，即：固体力学，显式动力学 和 桁架，显式动力学 接口。该显式算法支持超弹性、塑性、粘塑性、蠕变等多种非线性材料模型，并可进一步结合动态断裂仿真，实现复杂场景的精确模拟。
手机跌落测试仿真
COMSOL Multiphysics® 之前的版本已提供了可用于设计手机机械与电子元件协同工作的相关软件功能，并能模拟电池的化学反应。然而，到目前为止，有一个重要场景是用户无法模拟的：跌落测试。
手机跌落测试的模拟，手机正面呈现了裂纹扩展的可视化效果。
该新功能的优势之一在于其集成于 COMSOL Multiphysics® 平台。手机开发工程师可能需要同时模拟隐式与显式结构动力学场景。 例如，当手机被装入包装盒并与其他数十个包装盒堆叠运输时，可采用隐式结构动力学（其特征为较大的时间步长和较慢的计算效率）来分析堆叠底部的手机能否承受上方所有包装盒的重量。 同时，工程师还需要评估手机的抗摔性能。借助这项新功能，可在同一软件环境中进行显式结构动力学分析，全面评估设备在真实环境中的运行表现。
高速事件仿真
本文介绍的手机跌落测试教程模型，展示了如何运用显式结构动力学功能根据手机跌落高度，识别铝制外壳的受损区域，并追踪屏幕损伤的扩散路径。用户可通过模拟分析冲击点产生的应变变化，研究加速度对内部组件的影响。
永久应变从手机撞击地面的角落处开始发展（左图），并在分析的最后计算时刻表现为玻璃屏幕上的裂纹宽度（右图）。
用户还可模拟各类能量随时间的演变过程。由于落地瞬间的高加速度，总动能最初会急剧衰减。部分能量以不可逆塑性变形形式耗散，其余则转化为弹性应变能。随着时间推移，撞击引发的振动现象在图表中通过动能与应变能的相互转换体现出来。裂纹扩展与人工粘性效应导致耗散能量持续增加。
分析结果在图表中呈现动能、应变能与耗散能，同时允许用户监测该方法所添加的稳定项——该项在整个模拟过程中始终保持较低水平。总接触能的峰值出现在手机与地面碰撞的瞬间。
动手尝试
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更多资源
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参考文献
- Allstate Protection Plans Finds 78 Million Americans Damaged Their Smartphones in the Last Year. The Nation’s Repair and Replacement Bill Now Totals $149 Billion Since the introduction of the Smartphone. (2024, March 14). Allstate https://www.squaretrade.com/press-release/allstate-protection-plans-finds-78-million-americans-damaged-their-smartphones-last/
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