应力云图中压力大小的计算
摘要本文以ansys workbench模拟笔记本电脑外壳受力为例，建立有限元分析模型，经过后处理器运算，可以得出外壳各个区域应力云图。通过ipp图像分析软件我们可以较为准确的知道各个区域尤其是应力极值处的压力大小，从而为有限元的压力定量分析提供一种新的方法。
关键词 ansys workbench；ipp；应力云图
中图分类号tp39  文献标识码a    文章编号1674-6708（2012）81-0232-02
0 引言
ansys workbench是一款简单易操作的有限元分析软件，通过输入材料特性，网格划分以及加载载荷，建立约束条件，选择查看的结果类型。模型进过运算处理后，可以方便输出用户所需要的结果云图。本文以笔记本电脑的外壳（以下简称为cover）背压实验为例，建立有限元分析模型，最终可以输出主应力云图，即是各个单元的区域应力，不同的应力区域颜也不尽相同。由于在背压实验中，给笔记本外壳施加
外力，lcd模组经常会破裂，lcd模组主要由两层玻璃构成，根据弯曲理论，再结合玻璃切割后存在不可避免细小裂纹，下层玻璃（cf glass）破裂概率比较大，所以，报告中主应力图是下层玻璃的应力图。
image-pro plus是专业的图像分析软件，主要用于生物化学，材
料等领域，可以对图片上的颜不同区域进行几何上的测量，统计分析和拟合。因此，它可以方便的计算出颜相同区域的面积。综合两种软件的长处，由压力与压强，面积三者之间的关系，可以较为准确得出压力值大小。
1 基于ansys workbench的有限元分析过程
1.1 有限元分析前处理
ansys workbench可以把cad模型转化为有限元分析模型。某型号的nb电脑cover曲面较为复杂，采用曲面功能强大的三维实体造型软件proe对其进行建模。cad模型建立后，利用ansys workbench 与proe的接口，将文件以igs格式导入到ansys workbench中。其次，可以使用网格划分将模型进行单元处理。最
后我们必须根据系统内部各个子件之间的连接关系建立接触对，如果各个子件关系是错误的，会出现与实际受力情况不符的情况，甚至，程序会出无法计算的问题。
1.2 有限元分析后处理
在cover上如图1的位置加载载荷，压力大小为250n，压力区域的直径为30mm，方向为竖直向下。底面完全固定为其边界条件，所有自由度都被限制。
图1 载示意图
1.3 求解结果输出
从输出的应力云图图2可以读出，椭圆框区域是笔记本电脑里面
lcd glass压强最大的区域，假如切割制程比较稳定，玻璃是很容易从该处断裂。图2右侧数据列表为cf lcd glass各个区域的主应力，值得注意的是，该值是要和tft lcd glass各个区域主应力值进行叠加再取平均值才是最终的结果，但是该数值并不是压力数值，只是压强数据，压力大小，取决于主应力大小与各
个区域面积大小。但是，不同颜区域的面积大小在有限元软件中无法求出。在此处，我们推荐一种方法，可以较为准确的求出不同颜区域的面积，需要用到image-pro plus软件，即是ipp。
图2  应力云图及 glass主应力数据
2 ipp在应力云图上的应用
2.1 ipp单位设置
在使用软件之前，需要对软体进行单位转换。因为正常情况下，软件测量出来的单位是以图片的灰度计算的，而我们需要的是光密度单位，只有以光密度单位设置正确，几何测量的结果才是正确的。否则，结果会出现很大偏差，设置方法如下：点击
measure-calibration-intensity，调出intensity校正窗口，然后在窗口中点击new按钮，再点击std optical density选项，然后还要点一下system按钮，最后关闭窗口。
2.2 ipp建立统一标尺
下面以图1为实例，讲述操作过程。图中圆形区域直径为30mm，该数值可以视为真值。软件的输出值可以视为测量值。由于ansys
与ipp的图片中长度比例尺不一致，需要建立统一的比例尺，即是两者的1mm长度在图片中反映出来效果都是一致的且是等同的。
在ansys workbench界面中选择代表长度为100mm，可以以此作标尺，方法如下：
1）点击视窗菜单档中下拉菜单的measure-calibration-spatial，弹出对话框。点击菜单中new按钮，可以命名为ipp，unit选择毫米作为长度单位，另外在对话框我们可以比较清楚的看见image按钮；
2）点击image按钮，弹出scaling对话框，同时图片上会弹出黄标尺，将标尺首尾端放置在图3中的位置，使用放大镜可以更好的提高位置精度，在scaling填100，点击ok，如此完成尺寸的统一。
图3 尺寸标尺
图4 结果数据
2.3 区域面积的计算
在图1中圆形区域面积真实值为：s1=3.14×0.25×302=706.5mm2，点击measure-count/size-manual-select color，弹出segmentation对话框，对于图3深区域，先点击吸管工具，再点击图3深区域，如果一次没有办法选全，一定要在区域多次抓取，如此区域才比较完整，计算面积时不会漏掉，减少误差，然后点击close，返回到count/size窗口。在measure菜单下选择select
measurements，选择area和dim（mean）分别代表着面积和直径，当然，我们可以根据自己的要求去选择要查看的数据。然后再view 菜单下选择measure data，可以查看到图4中结果。结果显示：直径为：29.67mm，误差率：1.1%；面积：713.31mm2 ，误差率：0.96%。
2.4 实际问题的解决
按照上述的方法，我们也可以求解出图2中红区域最大压力值以及区域面积等。结果查看图5（隐藏网格）。深红区域面积为39.55mm2。f（max）=11.5mpa/2×39.55mm2=227.42（n）。关于压力值准确与否，与实际相差有多大，与仿真模型的网格划分的是否合理有较大的关系，我们可以通过修改ansys workbench网格参数去满足实际的要求。
图5 压力最大区域面积
3 结论
本文以nb电脑为例，在ansys workbench建立仿真模型，进行参数确认，输出应力云图，然后利用ipp进行图像分析，为压力等参数定量运算提供方法，也为仿真设计提供手段和思路。
参考文献
[1]凌桂龙，丁金滨，温正.ansys workbench 13.0从入门到精通[m].北京：清华大学出版社，2012.
[2]刘荣军.有限元建模中的几何清理问题[j].机械设计与制造，2005（9）：146.
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