基于SIMSOLID的头戴耳机夹持力仿真分析

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基于SIMSOLID的头戴耳机夹持力仿真分析

一、研究背景

随着信息技术发展和人们生活方式的变化，耳机越来越成为大多数人生活中不可获取的电子产品。由于部分用户工作或生活的需要，佩戴头戴耳机的时间越来越长，极易造成人耳部分的不舒适，影响用户体验。耳机佩戴的舒适性也成为了比美观外形、优质声音更重要的设计要素。头戴耳机的舒适性与耳机和人体头部尺寸匹配度、夹持力、耳套材质、耳套尺寸、佩戴时长等因素有关，耳机与人头尺寸不匹配也会造成夹持力过大，夹持力的大小直接影响着耳机对用户佩戴舒适度，成为研发设计、检测过程中的重点关注指标。

本文将针对头戴耳机的夹持力进行研究，通过SIMSOLID软件，快速分析耳机在拉开至人耳宽度时的作用力大小，评估夹持力，不断优化支臂、头戴、转轴等处的结构设计，提高佩戴的舒适度，增加用户体验。

二、研究模型和前处理工作

采用如下图一所示的头戴几何模型，模型结构件很多，力学分析很复杂，基于耳机基本属于对称结构，夹持力分析中左右两侧作用力大小相同，因此分析模型可以做图二所示的简化，分析一半的模型，提高计算效率，其详细结构如图三所示。

经测试，此款头戴耳机在左右分别掰开80mm时，能进行佩戴，因此后文中将以耳套X方向位移80mm为基准，分析夹持力。

 

图一 头戴耳机整机模型

 

图二 仿真简化建模

         

图三 几何模型剖面结构示意图

SIMSOLID前处理无需划分网格，需要处理较大干涉的几何模型，调整坐标系，方便软件中边界条件的赋予。SIMSOLID可以基于材料非线性和接触条件的非线性进行非线性的静力学分析，如图四所示，为赋予的PC+ABS塑胶的弹塑性模型，几何导入采用fine的设置模式，选用Structural non-linear的分析模块，接触设置中，可以采用自动检测接触，设定间隙和干涉量，完成接触对的查找，针对粘接或螺栓连接的接触采用Bonded模式，有接触和分离的接触对采用Separating/closing +Friction的模式，针对转轴和slider的接触采用Sliding without friction接触，针对部分未接触区域采用Disable contact模式。对于头戴梁兑成平面赋予固定约束，平板给予压强（不断的调整压强数值，分析耳套X方向的位移），计算模型如图四所示：

 

图四 PC+ABS的应力应变曲线

 

图五 头戴耳机夹持力分析的计算模型

三、计算结果与分析

将上述模型进行仿真计算，通过不断的调整压强数值，分析耳套X方向的位移，当耳套X方向的位移达到80mm时，此时施加的压强换算成作用力，作用力的大小可视为头戴耳机的夹持力。如图六所示，模型没有达到塑性变形，都是处于弹性阶段。图七为耳机的位移变化云图，模型最大位移为85.48mm，平板处于竖直状态。图八为耳机在X方向的位移云图，耳帽X方向位于约为80mm，此时平板的作用力为8.94N，即此头戴耳机的夹持力为8.94N。

 

图六 模型处于弹性阶段

 

图七 耳机位移云图

 

图八 耳机X方向的位移云图

此款耳机进行结构组装，采用图九所示的仪器进行夹持力测试，测量的加持力为8.2N。与测试结果比较仿真精度存在9%左右的误差。

 

图九 加持力测试仪器

四、研究结论

通过SIMSOLID进行头戴耳机夹持力仿真，无需进行复杂的几何清理、网格划分等前处理工作，能快速得到仿真结果；通过和测试结果比较，仿真结果存在9%左右的误差，可以为耳机ID和结构设计提供一定的参考，加快研发进度，缩短研发周期。