跌落仿真分析是什么？一文读懂！

有限元： 2025-07-09 10:38:00 阅读数： 846

你的手机屏幕有贴膜吗？你使用的电子产品中有没有发生拿着不小心掉落到地上的情况？我相信95%以上的都回答：有。

据统计，电子产品损坏的80%来源于跌落碰撞导致。而对于厂家来说，在研发设计产品时，就会不断去对产品进行跌落测试，从而来提升产品因跌落碰撞等带来的质量问题。

主流跌落测试方法

理论计算：基于力学方程快速估算初步性能；

实验方法：高速摄像机+传感器捕捉真实冲击数据；

CAE仿真：以有限元分析为核心，结合Abaqus等工具实现高精度模拟。

传统跌落测试需要反复制作样品、不同高度摔产品，成本高且效率低，还难以捕捉瞬间变化，而跌落仿真技术正成为解决这一痛点的关键利器。

什么是跌落仿真分析

跌落仿真分析是通过计算机模拟产品在实际使用或运输过程中可能遭受的跌落冲击，评估其结构强度、可靠性和安全性的技术。

跌落过程属于瞬态动力学问题，其核心在于分析结构在短时冲击载荷下的动态响应。系统动力学特性由质量矩阵[M]、阻尼矩阵[C] 和刚度矩阵[K] 共同决定，运动方程可表示为：

[M]{a}+[C]{v}+[K]{d}={F}

其中，{a}、{v}、{d} 分别为加速度、速度和位移向量，{F} 包含碰撞力等外力。对于显式动力学分析，采用中心差分法进行时间积分，通过递推公式计算各时间点的位移与速度，适用于跌落等极端瞬态工况。

有限元法核心原理

有限元法（FEM）将连续结构离散为有限个单元，通过插值函数近似场变量分布，建立节点自由度方程组。瞬态动力学分析可获取随时间变化的位移、应力、应变数据，其求解流程包括：

几何建模与网格划分：将产品模型离散为单元集合，关键部位（如边角、连接点）采用细网格。

材料定义与边界条件：输入材料参数（密度、弹性模量、泊松比），设置接触类型（如自动单面接触）与载荷（重力、初始速度）。

求解与后处理：通过显式或隐式算法求解方程组，提取最大应力、变形云图等结果。

跌落仿真核心优势

成本削减：虚拟测试可减少80%以上的实物样机制作，特别在对大型设备（如新能源电池包）意义重大，在成本削减上数字一目了然；

透视能力：像拥有“X光透视眼”般捕捉0.1秒内的应力传播路径，定位肉眼不可见的脆弱点，更好发现潜在问题；

前置介入：在设计草图阶段验证方案可行性，避免后期返工；

极限测试：轻松模拟极端场景（如无人机30米坠撞、核电设备抗冲击），规避实体测试风险。

跌落仿真应用领域

电子产品：手机、平板电脑、笔记本电脑的跌落测试，重点关注触摸屏、前壳、内部电路板的应力集中。

汽车零部件：电池包、BMS（电池管理系统）、商用车A柱碰撞跌落安全评估。

医疗器械：便携式设备（如血糖仪）的外壳与内部组件可靠性验证。

包装设计：通过仿真优化缓冲材料（如蜂窝纸板、气凝胶）的厚度与布局。

这里我再简单介绍一个电池包跌落分析，现如今也是一个很热门的赛道，对于电池厂商来说，是如何去保护电池包的安全呢？

案例的背景：新能源汽车电池包在运输中可能遭受跌落冲击，需评估外壳变形与内部电芯损伤风险。

仿真过程：

模拟电池包从1米高度跌落至混凝土地面，分析外壳（铝合金）的变形量与内部电芯的应力集中。

发现包装缓冲材料（EPE泡沫）厚度不足，导致局部应力超标。

优化与验证：

增加缓冲材料厚度至50mm，优化包装结构，跌落冲击力降低40%。

通过ISTA 3A标准测试，电池包外壳变形量控制在2mm以内，电芯无损伤。

对于仿真工程师新手来说，在进行跌落仿真分析中最容易忽视的三个点，我这里给总结出来如下。

网格陷阱：

错误：整机采用统一网格尺寸（导致计算量暴增）。

正确：冲击区域细网格（0.5mm），非关键区粗网格（5mm）。

材料幻觉：

泡沫用刚体模型 → 缓冲性能失真

解决方案：通过动态压缩试验获取真实应力-应变曲线

边界条件失真：

忽略包装箱缝合处胶带强度 → 实际测试箱体开裂

最后做个总结，跌落仿真分析通过虚拟测试提前发现设计缺陷，已成为产品开发中不可或缺的环节。其在电子产品、汽车、医疗器械等领域的应用，不仅提升了产品可靠性，还显著降低了测试成本与研发周期。

跌落仿真不是魔术，但让产品拥有了“预知未来”的能力。无需让消费者心一惊的碎裂声，企业们早就在虚拟世界里“摔”出了其产品竞争力！

如果您有跌落仿真需求或者需要培训学习，可以联系我们，我们将会根据您的实际情况给出解决方案。