Wenn wir unser Handy nicht in der Hand halten, ist es selten weiter als eine Armlänge von uns entfernt. Bei dieser intensiven Nutzung kommt es häufig vor, dass Handys herunterfallen. Laut einer Umfrage von Allstate gaben rund 78 Millionen Amerikaner an, dass sie im Jahr 2023 ihr Mobiltelefon beschädigt hatten, wobei 67 % dieser Schäden auf zerbrochene Bildschirme zurückzuführen waren (Ref. 1). Ein Handy kann manche Stürze völlig unbeschädigt überstehen und bei anderen kaputtgehen. Wie können wir also wissen, unter welchen Bedingungen Schäden am wahrscheinlichsten sind? Die Version 6.4 der COMSOL Multiphysics® Software bietet neue Funktionen für die Durchführung zeitabhängiger Strukturdynamikanalysen, darunter die Simulation eines Falltests.
Neue Features für explizite Strukturdynamik
Die in COMSOL Multiphysics® Version 6.4 eingeführte Funktionalität für explizite Strukturdynamik ermöglicht es Ingenieuren, transiente und hochgradig nichtlineare Ereignisse wie Stöße, Wellenausbreitung und Metallumformung zu simulieren. Dieses neue Framework analysiert schnelle Ereignisse wie Stöße und Explosionen unter Verwendung sehr kleiner Zeitschritte.
Das Software-Update führt zwei Interfaces ein, die eine explizite Zeitintegration verwenden, die für große Verformungen, hohe Dehnungsraten und allgemeine Kontaktbedingungen mit vielen Objekten optimiert ist: Solid Mechanics, Explicit Dynamics und Truss, Explicit Dynamics. Die explizite Formulierung unterstützt eine Vielzahl nichtlinearer Materialverhalten wie Hyperelastizität, Plastizität, Viskoplastizität und Kriechen und kann auch mit dynamischen Bruchsimulationen kombiniert werden.
COMSOL Multiphysics Version 6.4 bietet neue Funktionen für die explizite Strukturdynamik, beispielsweise die Simulation von Falltests für Handys..
Modellierung eines Falltests eines Smartphones
COMSOL Multiphysics® enthielt bereits zuvor Softwarelösungen für das Design der mechanischen und elektrischen Elemente, die in einem Smartphone zusammenwirken, sowie zum Modellieren der chemischen Reaktionen der Akkus. Bislang gab es jedoch ein wichtiges Szenario, das Anwender nicht simulieren konnten: den Falltest.
Simulation eines Falltests eines Smartphones mit Darstellung der Rissausbreitung auf der Vorderseite des Handys.
Einer der Vorteile dieser neuen Funktionalität besteht darin, dass sie in COMSOL Multiphysics® integriert ist. Ein Ingenieur, der ein Smartphone entwickelt, muss das Handy möglicherweise sowohl in impliziten als auch in expliziten Strukturdynamik-Szenarien simulieren. Wenn ein Smartphone beispielsweise verpackt und zusammen mit Dutzenden anderer Verpackungen gestapelt versandt wird, kann die durch längere Zeitschritte und langsamere Phänomene gekennzeichnete implizite Strukturdynamik verwendet werden, um zu analysieren, ob das Handy am Boden des Stapels dem Gewicht aller anderen Verpackungen darüber standhalten kann. Gleichzeitig müssen Ingenieure wissen, wie gut das Smartphone Stürze überstehen kann. Mit der neuen Funktionalität kann eine explizite Strukturdynamikanalyse innerhalb derselben Softwareumgebung durchgeführt werden, um eine umfassende Analyse der Funktionsweise des Geräts in der realen Welt zu erhalten.
Simulation von Hochgeschwindigkeitsereignissen
Das in diesem Blog-Beitrag vorgestellte Tutorial-Modell „Falltest eines Smartphones“ veranschaulicht, wie Sie mithilfe der expliziten Strukturdynamikfunktion die Bereiche des Aluminiumgehäuses identifizieren können, die bei einem Sturz des Handys beschädigt werden würden, und wie Sie anhand der Fallhöhe verfolgen können, wie sich der Schaden am Bildschirm ausbreiten würde. Sie können auch die Auswirkungen der Beschleunigung auf die internen Komponenten untersuchen, indem Sie modellieren, wie sich die Verformung vom Aufprallpunkt aus entwickelt.
Eine dauerhafte Verformung entsteht an der Ecke, an der das Handy auf den Boden aufschlägt (links), sowie von der Breite des Risses auf dem Glasbildschirm zum letzten berechneten Zeitpunkt der Analyse (rechts).
Nutzer können auch die zeitliche Entwicklung verschiedener Energiegrößen simulieren. Die gesamte kinetische Energie nimmt aufgrund der hohen Beschleunigung beim Aufprall auf den Boden zunächst schnell ab. Ein Teil dieser Energie wird als irreparable plastische Verformung abgeleitet, während der Rest als elastische Verformungsenergie gespeichert wird. Im Laufe der Zeit werden die durch den Aufprall verursachten Schwingungen in der Grafik durch einen Austausch zwischen kinetischer Energie und Verformungsenergie sichtbar. Die dissipierte Energie nimmt aufgrund von Rissausbreitung und künstlicher Viskosität zu.
Zeitliche Entwicklung verschiedener Energiegrößen, wobei die kinetische Energie in Blau, die Formänderungsenergie in Grün und die dissipierte Energie in Rot dargestellt sind.
Die Analyse zeigt die kinetische Energie, die Verformungsenergie und die dissipierte Energie und ermöglicht es Nutzern, die durch die Methode hinzugefügten Stabilisierungsbedingungen zu überwachen, die während der gesamten Simulation niedrig bleiben. Die Gesamtkontaktenergie erreicht ihren Höchstwert beim Aufprall des Handys auf den Boden.
Probieren Sie es aus
Testen Sie selbst, wie widerstandsfähig ein fallengelassenes Smartphone ist. Laden Sie das Tutorial-Modell „Falltest eines Smartphones“ herunter, indem Sie auf die Schaltfläche unten klicken.
Weitere Ressourcen
Sehen Sie sich diese Tutorial-Modelle mit expliziter Strukturdynamik an, die in der Application Gallery verfügbar sind:
- Halterung – Strukturmechanik-Tutorials
- Fallende Objekte in einer Box
- Explizite Dynamik eines seismischen Ereignisses
- Eindrücktest einer zylindrischen Batteriezelle
Referenzen
- 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. (14. März 2024). Allstate https://www.squaretrade.com/press-release/allstate-protection-plans-finds-78-million-americans-damaged-their-smartphones-last/
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