LS-DYNA：RJ-45网络接口连接器组件的声学仿真
背景介绍
得益于多物理场问题仿真的简便性，Ansys LS-DYNA工具一直被广泛用于高科技产业，本文将介绍如何使用LS-DYNA多物理场功能进行声振仿真，首先将介绍建模方法以及对声振响应结果，进行后处理的方法，以及影响声学响应的参数。
卡扣组件是日常生活中的常用产品，如电气连接器。上图右下案例展示了光纤连接器，PCB连接器，电源连接器等，还有其他多种连接器。如果这类应用的卡扣插入不良，电气连接功能就会下降，因为两个接合件之间的接触区域十分重要。因此作为机械工程师，我们的责任是设计出合理的卡扣，使机械结构接触良好，并保持电气连接通畅。
设计上主要的挑战在于，卡扣的闭合是一个装配的过程，这个过程是动态的，卡扣的几何结构越来越小形状越来越复杂，而且材料不断创新，卡扣设计必须能够适应这些变化。在装配过程中，连接件之间连接良好的关键指标是能达到一定的反作用力，这个过程可使用LS-DYNA轻松地进行仿真，快速装配时间、滑动接触、非线性材料等都需要显式求解器。
第二个重要的指标是特定的声学特征，也就是咔嗒声，这个可用来判断卡扣在装配过程中的啮合是否成功与啮合质量，目前还没有成熟的方法可对这种声学响应进行仿真。这类问题需要运用LS-DYNA这样的求解器来对复杂的多物理场进行仿真。
RJ-45是第45号注册插座（通常称为以太网接口或网络接口），这些是许多标准化插座和插头系列产品之一，属于微型模块化连接器。这些连接器主要用于把支持互联网的设备直接插入调制解调器、路由器或服务器等硬件中。为什么设备之间更倾向于选用以太网连接呢？因为在大多数情况下以太网连接可提供比无线连接更快的数据传输速度，而且这也有助于防止黑客截获敏感数据，有两种类型的连接器部件，一种是插头，它们是位于以太网线缆两端的模块化插入组件，通常使用透明、白色、黑色或灰色塑料制作而成，不过也会使用许多其它的颜色和材料；另一种是接头，其可用于让RJ-45插头插入插槽，它们通常嵌入在需要连接的设备主体或墙上，RJ-45插脚引线的分配对于建立电气连接十分重要，行业标准是8个引线插脚和8个触点，但为了方便建模，我们在仿真中只使用4个引线插脚。
这里概述了本研究中的LS-DYNA设置情况，从开源网站获得的几何结构将用于有限元仿真，以及在SpaceClaim中建模然后导出机械模型的k文件，使用LS-RUN提交LS-DYNA作业，接着用LS-PrePost和Ansys Sound进行后处理。
模型准备。连接器组件内的所有几何体都是实体几何结构，因此这里使用实体单元，连接器最重要的组件是接头和插头，它们使用四面体单元进行建模，并在声学分析中用作边界单元，接头和插头的插入针均使用六面体单元进行建模，目的是模拟准确的接触行为，接触对仿真结果会有影响。
正如前文所述，这两种插入针都使用六面体单元以准确地捕获它们之间的接触，这是因为它能够影响连接器的触觉反馈和声学反馈，为方便建模，对所有接触使用自动单面接触卡片*Contact_automatic_general，摩擦系数设为0.1，仿真过程中设置的载荷条件如下：
第一步，给装配体锁扣施加50N的推力 如视频所示；
第二步，将插头向接头接口中推入20mm；
第三步，将锁扣处的载荷释放15N；
最后，讲一下边界条件，接头六个自由度全约束，对插头的X方向和Y方向进行约束。
声学分析设置，声学分析可使用LS-DYNA中提供的*FREQUENCY_DOMAIN_ACOUSTIC_BEM卡片进行设置，有助于将瞬态结构分析与声学分析耦合以求解声振耦合问题。这个方法先求解瞬态结构分析，然后保存结构分析中获得的速度，并将其用作声学分析中的边界条件。最后需要注意的是边界单元上的压力会通过求解输入方程获得，根据这个输入，可以计算出无网格区域内任一点的压力-时间历程。使用边界元法的主要优势是成本低效率高，这是因为与其它方法相比，它使用的是边界单元和无网格区域，为了设置声学分析所需的参数包括流体密度，在本例中是以空气介质的声速，还需要知道最小频率，最大频率和参考压力，另外有限元的边界单元和声场点也很重要。在本文的例子中，插头表面单元和接头表面单元都作为边界元单元，同时把靠近连接器几何结构的节点分配为场点或观察点。
分析设置，本文案例需计算四个不同场景下的分析，场景一总用时0.25秒，装配时间为0.15秒，使用的是塑性材料模型。场景二总用时0.35秒，装配时间为0.25秒，使用的是塑性材料模型。场景三总用时0.35秒，装配时间为0.25秒，使用的是弹性材料模型。场景四总用时1秒，装配时间为0.25秒，使用的是塑性材料模型。整个设置的目的是了解装配时间声学特征，也就是声压级和使用的材料模型之间的关系。
结构分析结果，视频仅展示四个仿真中的其中一个结果。仿真结果来自于使用塑性材料模型的接头和插头连接器，其总用时为0.25秒，连接器装配时间为0.15秒。从左下方的能量比图中可以看到，能量比的值恰好接近1，这可以证明仿真基本实现了能量平衡。右上方是接头针的应力应变和位移图，它承受了插头的冲击。右下方则是其接触力图，总计大约10N。
上图展示使用塑性材料模型插头的应力和应变。正如预期，可以观察到装配体锁扣从弯曲到启动卡扣过程中，它承受了大约58Mpa的应力，可以看到其有效应变为12%，部分应变在卡扣解除后可以恢复。右上角的图显示了有效应变的时间历程图。
该图表可帮助我们比较完全装配状态下，装配体锁扣对接头的反作用力。值得注意的是塑性降低了反作用力，装配时间对产生的反作用力没有影响。
声学响应，案例中提取了不同仿真模型上的场点的声压级，在图中通过比较整个频域下的值可以发现，装配时间为0.1秒的仿真产生了更高的声压级，在增加装配时间后，声压级下降，这样可以与实验结果或参考值相匹配。我们试图在运行的其中一个仿真中创建声音，视频中可以听到生成的声音文件，以便对这种方法的有效性有所了解。左边为YouTube上获得的参考声音文件，右侧为其中一个仿真中获得的声音，虽然声音好像不太相同，但声压级良好吻合，还需要进行进一步研究来微调仿真的声音。
上图显示了声压对比情况，压强单位为pa，时间单位为s，显然在使用弹性材料模型的仿真场景3里面振动，要显著大于其它三种使用塑性材料模型的仿真场景。这里可以看到激励中的差别。
上图显示了频率 - 时间，频率单位为赫兹，时间单位为秒，这有助于了解装配过程中每一步的频率分布情况，还表明Ansys Sound能轻松地对这些输出进行后处理，并对我们从如此复杂的仿真中获得的结果进行深入研究。
小结
本文案例中可以得出，装配时间与声压级成反比，带有硬化的塑性材料本构会抑制声学响应。此外还可以对两个可变形体的振动声学特性，以及接触进行了仿真并开展了详细研究，今后想要使用具有热塑性的高级材料模型来研究材料对声学的影响，以寻找能够使仿真声音更加真实的方法。将通过探索电和热等其它多物理场场景来增加问题的复杂性，以扩大这一仿真的使用范围。最后但同样值得注意的是，LS-DYNA可提供统一的求解器环境能够轻松处理此类复杂的多物理场问题。
文章来源：第五届LS-DYNA中国技术论坛
