跌落冲击对消费电器产品性能影响分析

张剑锋，孙 帆，胡正群，丁志尧，朱小杰

（1.湖北省出入境检验检疫局技术中心，湖北 武汉 430050；2.华中科技大学 电气与电子工程学院，湖北 武汉 430074）

近年来，随着电子技术特别是小型封装和高密度组装技术的迅速发展，便携式电子产品得到极大的普及，然而，消费者在使用或携带过程中将产品失手跌落至地面或不慎撞击到坚硬物体上的意外时有发生。

通常这类产品在跌落过程中，由于机械损坏极可能造成电路的损坏或产生其他电气性能的变化，从而产生功能损坏或者使用安全的问题。现有的研究大多单纯针对跌落仿真，利用LS-DYNA进行数值分析，机械变化，而忽略了跌落过程中便携式电器的电气性能变化。

通过将力学分析与电器产品的电路分析相结合，以便携式剃须刀为例，通过建立与实物相符的等比例模型，通过仿真手段计算出不同跌落情况下的应力，应变，再对可能发生损坏的电路进行分析，提出在便携式电器检验工作中的一种检验方向。

1 研究工况

以飞科剃须刀FS-295作为研究对象，针对跌落碰撞这一非线性动态响应过程对剃须刀电路部分产生的影响进行分析，结合跌落仿真与电路仿真，对比实物模型，研究不同跌落碰撞姿态对电路损伤的影响程度，并分析碰撞可能带来的电气性能变化。跌落姿态分别为垂直、水平、侧面、倾斜接触4种，如图1所示。

图1 4种跌落着地的姿态Fig.1 Four conditions of landing

2 仿真分析

2.1 仿真建模

使用SolidWorks绘制剃须刀模型，对刀头结构进行适当简化，其他部分基本保持与实物的一致性，保证重心基本重合，结构尺寸与实物一致，剃须刀外壳采用壳体单元shell1 63，电路板采用shell1 64单元，电池采用solid 92实体单元[2]，模型前后壳边界仅搭扣处采用节点连接，保证位移连续，采用自由面接触[3-5]。剃须刀各部分材料参数如表1所示，剃须刀结构网格划分如图2所示。

表1 仿真对象主要材料参数Tab.1 The parameters of sample material

图2 模型外壳及内部网格划分Fig.2 Dividing of the model

2.2 跌落仿真及影响分析

根据实际情况，仿真假设剃须刀从距地面1.5 m处跌落，由自由落地公式 v2=2gh，取g=9.8 m/s2，计算得到 v=5.4 m/s，设定剃须刀离地面1 mm，速度为5.41 m/s，可以减少仿真所需时间，与实际情况也较为接近[6]。设置初速度为5.41 m/s，从接触时刻起开始计算，4种着地情况的姿态如图3所示。

图3 倾斜跌落姿态壳体及电路板应力分布Fig.3 The location of stress of the body and circuit board when tilted dropping

经计算，发现同等高度下，倾斜跌落与垂直跌落的两种姿态的应变应力较大，受损情况应较为严重，应力分布如图3所示，剃须刀壳体水平接触地面和侧面接触地面所受应力环境较好，受损情况较乐观。这种由跌落产生的应力，有可能导致电路实体的变化，如因元件脱落发生断路或因碰撞受力导致某些期间工作失常，下面就电子器件发生损坏可能造成的不良影响进行分析。

2.3 电路仿真及危害分析

根据飞科剃须刀实物电路，绘制出电路原理图，使用软件PSIM仿真分析，剃须刀电路原理如图4所示。

图4 仿真模型电路原理图Fig.4 The circuit of the PCB model

该电路实现的功能为将220 V电压变压整流，变压器低压端为2.5 V直流电，可为电池充电，也可直接驱动电机工作。由跌落分析结果当剃须刀因跌落发生碰撞受力时，受力最大处对应电路板实体位置为限流电阻、整流二极管及电容C1、C2等所处位置。这样可能造成的损坏情况为：

1）贴片电阻脱落导致断路，这样将影响剃须刀正常充电，造成功能丧失；

2）部分期间损坏，丧失功能，如二极管受损无法整流，导致无法产生涓流为电池充电；

3）电阻受损内部短路，丧失限流功能，电流陡升，变压器等期间受到过电流冲击。

前2种情况均为功能性损伤，第3种情况发生可能性小，但是一旦发生可能造成变压器过热，期间融化，尤其在接通220 V电压的情况下若发生此类损伤，更可能产生严重后果。针对第3种损坏情况进行仿真分析，剃须刀正常工作时的变压器两端电流波形如图5所示。

未发生跌落时，变压器两端电流分别为1.02 A，11.5 mA，经降压后的电压可为锂电池充电，也可向电机供电，保证剃须刀正常工作。

对跌落发生限流电阻损坏瞬间的电路进行仿真，观察电流变化情况，发现受影响最大的是变压器两端电流，变压器低压端电流较大，发生短路后，电流变化如图6所示。

图5 正常工作下变压器两端电流Fig.5 The current of transformer when working well

图6 跌落前后变压器低压端电流变化Fig.6 The current of the transformer while the impact happens

我们设置在0.01 s处发生碰撞，电阻受损，造成内部短路，由图可以直观的观察到，电流幅值有明显升高，0.01 s前为正常工作电流幅值约为1.02 A，跌落后若发生短路，电流幅值急剧升高至约为4.18 A。

在实际电路当中，由于电子电路中变压器容量小，体积小，绕组细，很难长时间承受接近4 A的电流，短时间内就可能发生变压器过热，引起绕组漆包线融化，变压器发生短路。高压端电压直接与电子电路相连接，电子器件无法承受这样的高电压和大电流，尤其是锂电池，若直接接通过高电压，可能会发生爆炸，造成安全危害。

3 仿真结果分析

以上分析结果表明，在跌落过程中，剃须刀的电路实体会受到冲击，可能会产生实体损伤，对剃须刀使用功能产生影响，甚至可能由于电路发生变化后，产生极严重的电气安全危害。通过Ansys Ls-Dyna的跌落仿真结果与PSIM所做的电路仿真相结合，我们可以通过分析得到跌落过程中剃须刀电路的电流变化，从而判断跌落可能造成的安全隐患。

4 结束语

跌落过程中的电气性能变化，是电器使用安全一个全新的研究领域，通过实验的方法进行分析，随机性大，成本较高，利用Ansys有限元分析与其他电路仿真软件相结合，可以节约成本，为电器产品设计与分析提供支持。文中以剃须刀的跌落为例，验证了检测工作中利用Ansys Ls-dyna有限元法与电路仿真相结合这一方法的可行性，为今后电器安全检测工作的开展提出了一条新思路。通过建立详细的计算机辅助实验系统，能够节约试验成本，节约检验周期，提高工作效率。

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