基于Creo Simulate的頭戴式耳機(jī)頭帶的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)

羅華明

摘? 要：隨著市場競爭的發(fā)展，人們對(duì)頭戴式耳機(jī)的性能、可靠性和成本有越來越強(qiáng)的要求。耳機(jī)頭帶設(shè)計(jì)的潛在失效模式和影響分析（FMEA）讓設(shè)計(jì)師能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行定性分析，以便識(shí)別關(guān)鍵特性。夾緊力不當(dāng)和頭帶疲勞失效是其中的兩個(gè)主要的失效模式。這兩個(gè)失效模式是由兩個(gè)設(shè)計(jì)因子主導(dǎo)的：金屬頭帶的厚度和抗拉強(qiáng)度。有限元分析（FEA）用于評(píng)估設(shè)計(jì)響應(yīng)，即頭帶疲勞壽命和夾緊力。這些響應(yīng)與優(yōu)化模塊相結(jié)合，呈現(xiàn)出有助于確定最佳金屬帶厚度和抗拉強(qiáng)度的解決方案，同時(shí)保持頭帶的性能指標(biāo);成本和可靠性。本研究旨在開發(fā)能夠整合設(shè)計(jì)問題的識(shí)別、失效模式影響和分析、疲勞失效分析和頭帶設(shè)計(jì)優(yōu)化于一體的設(shè)計(jì)方法學(xué)。

關(guān)鍵詞：Creo Simulate;FMEA;頭戴耳機(jī);優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U469? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）36-0022-03

Abstract： With the development of market competition， people have more and more requirements on the performance， reliability and cost of headphones. The potential failure mode and effect analysis （FMEA） of headband design enables designers to conduct qualitative analysis of the system in order to identify key characteristics. Improper clamping force and fatigue failure of headband are the two main failure modes. These two failure modes are dominated by two design factors： thickness and tensile strength of metal headband. Finite element analysis （FEA） is used to evaluate the design response， i.e.， the fatigue life and clamping force of the headband. These responses， combined with the optimization module， present solutions that help determine the optimal strip thickness and tensile strength while maintaining the performance indicators of the headband; cost and reliability. The purpose of this study is to develop a design methodology that integrates design problem identification， FMEA， fatigue failure analysis and headband design optimization.

Keywords： Creo Simulate; FMEA; headset; optimization design

1 概述

為了達(dá)到舒適性和聲學(xué)性能的目的，頭帶設(shè)計(jì)應(yīng)適合盡可能多的用戶的頭型。在頭帶上通過增加可調(diào)機(jī)構(gòu)，耳機(jī)可以適應(yīng)更大范圍的頭部大小和形狀。可調(diào)節(jié)的頭帶也可以拉緊，即使用戶轉(zhuǎn)動(dòng)或搖晃等動(dòng)作也不會(huì)使耳機(jī)松脫。除了人體工程學(xué)的考量，頭帶的可靠性和耐久性始終是設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵考慮因素。因?yàn)橛脩纛l繁的彎曲和扭曲，頭帶機(jī)械故障經(jīng)常出現(xiàn)。頭帶在這些循環(huán)載荷下，在應(yīng)力集中區(qū)由于疲勞而失效。此外，在極端苛刻的條件下，頭帶可能會(huì)在大變形下使用，會(huì)造成頭帶局部損壞或永久變形。

這篇論文討論了在耳機(jī)頭帶的研發(fā)中所涉及的設(shè)計(jì)方法。為了優(yōu)化設(shè)計(jì)，必須綜合考慮系統(tǒng)的性能、質(zhì)量和可靠性與成本效益。本研究中使用的設(shè)計(jì)方法包括：問題識(shí)別的失效模式及影響分析（FMEA），用于夾持力和疲勞壽命估算的有限元分析（FEA）以及多目標(biāo)的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2 失效模式及影響分析（FMEA）

失效模式及影響分析（FMEA）是一種降低風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)工具，以風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先度（RPN）衡量。RPN是發(fā)生率、 嚴(yán)重性和識(shí)別難度的乘積[1]。即風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先度：RPN（risk priority number）=（S）x（O）x（D）。

其中，S是指潛在故障模式發(fā)生時(shí)，對(duì)下工序、子系統(tǒng)、系統(tǒng)或顧客影響后果的嚴(yán)重程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，僅使用于故障的后果，要減少故障后果的嚴(yán)重度級(jí)別，只能通過修改設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。一般分為災(zāi)難的、致命的、臨界的、輕度的等幾個(gè)等級(jí)，取值在1～10之間;O是指某一特定故障起因或機(jī)理出現(xiàn)的可能性。描述頻度級(jí)別數(shù)著重在其含義而不是具體的數(shù)。一般可分為極高、高、中等、低等幾個(gè)等級(jí)，取值在1～10之間;D是指發(fā)現(xiàn)故障原因的難易性，或指在故障發(fā)生后，流入顧客前被發(fā)現(xiàn)的難易性，是探測故障模式/原因/機(jī)理的能力的指標(biāo)，一般分為極難、難、可能、能等幾個(gè)等級(jí)，取值在1～10之間[2]。

根據(jù)FMEA調(diào)查分析，耳機(jī)具有兩個(gè)最高風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先級(jí)的故障模式，分別為“頭帶疲勞”，RPN為192;“頭帶夾緊力不當(dāng)”RPN為180。導(dǎo)致最高風(fēng)險(xiǎn)，需要緊急行動(dòng)重新設(shè)計(jì)頭帶降低這些項(xiàng)目的RPN。

與“頭帶疲勞”和“不正確的頭帶夾緊力”相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)可通過降低嚴(yán)重性、降低發(fā)生概率，或增加被發(fā)現(xiàn)的概率來降低。例如，增加金屬的抗拉強(qiáng)度，金屬帶的厚度可以立即提高疲勞壽命。這會(huì)大大降低頭帶疲勞發(fā)生的概率，但嚴(yán)重影響重量。超重量成為新設(shè)計(jì)方案的一個(gè)失效模式。因此，應(yīng)將重量加在設(shè)計(jì)參數(shù)中，與解決頭帶疲勞問題的頭帶材料和幾何形狀一樣。通過多目標(biāo)函數(shù)將重量納入設(shè)計(jì)過程。

3 有限元分析（FEA）

利用Creo Parametric 4.0 M020進(jìn)行金屬頭帶的三維建模，使用其集成的Simulate模塊進(jìn)行有限元分析，計(jì)算頭帶夾緊力，及預(yù)測疲勞壽命。

3.1 有限元模型

模擬模型顯示，厚度0.7mm，寬度8mm?？紤]到對(duì)稱性，整個(gè)系統(tǒng)只有一半被建模。有限單元網(wǎng)格劃分，模型由9034個(gè)四面體組成。

3.2 有限元材料特性

金屬帶材料選用不銹鋼（SUS）301。不銹鋼301室溫條件下具有奧氏體結(jié)構(gòu)。耐腐蝕，外觀絢麗。相比SUS304的成本而言，SUS301相對(duì)便宜。SUS301具有很高的延展性和可成形性，并且高韌性。SUS301的配方允許通過回火軋制將組織部分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而產(chǎn)生高強(qiáng)度等級(jí)。一小部分馬氏體與奧氏體基體緊密混合，提供高強(qiáng)度和良好的延展性。SUS301有一系列不同的回火體，每種回火體有更大的強(qiáng)度。這些回火體可以通過增加不銹鋼廠加工過程中的減少冷軋壓量來實(shí)現(xiàn)。冷軋不變，鋼不用加熱到退火溫度（超過600℃），強(qiáng)度會(huì)增加。

SUS301物理性能如下：密度：7.83×10-9tonne/mm3，泊松比：0.3，楊氏模量：2.1×105MPa，屈服強(qiáng)度：965MPa，極限強(qiáng)度：1276MPa。

3.3 邊界條件

邊界條件設(shè)置如下：固定端位于中間表面“A”上，約束X，Y，Z方向的平移自由度，在自由端“B”位置施加的外部位移荷載沿X方向向外15mm。通過施加邊界條件位移;反作用力將在相同的位置獲得，這將代表頭帶夾緊力。

3.4 結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

在“分析和研究”菜單中，建立“靜態(tài)分析”，并查看分析結(jié)果。

3.4.1 位移

最大位移處位于B端面，X方向?yàn)?5mm， Y方向?yàn)?2.87mm， Z方向?yàn)?mm，合計(jì)最大位移為19.77mm。

3.4.2 應(yīng)力

最大應(yīng)力處位于A斷面，等效最大應(yīng)力為382.7MPa。

3.4.3 夾持力

夾持力與支方力大小相等，為3.97N。

3.5 疲勞分析

3.5.1 疲勞分析定義

對(duì)于疲勞壽命分析，在15mm位移荷載作用下的邊界條件。頭帶是采用1H硬冷軋不銹鋼制成（抗拉強(qiáng)度1276MPa）。頭帶的最小疲勞循環(huán)要求已確定為10000周期。

3.5.2 分析的結(jié)果

模型破壞前的預(yù)估周期數(shù)。出于疲勞的指數(shù)性質(zhì)的原因，將壽命表示為對(duì)數(shù)很有用[3]。本實(shí)例中，最大應(yīng)力壽命為1e4.271（=18663）次循環(huán)。如圖1所示。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 選擇設(shè)計(jì)變量

根據(jù)初步分析，選擇金屬頭帶的厚度和不同的不銹鋼硬度作為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行靈敏度分析。

4.2 靈敏度分析的設(shè)置

在“分析和研究”菜單中，建立“靈敏度設(shè)計(jì)研究”。將金屬頭帶的厚度選為變量，設(shè)置開始和終止值分別為0.6mm和0.8mm。

4.3 靈敏度分析結(jié)果

厚度與夾持力、重量、最大等效應(yīng)力成正相關(guān)，與疲勞壽命成負(fù)相關(guān)。

4.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

為了選擇最佳的金屬頭條厚度和抗拉強(qiáng)度范圍，選擇不同的組合進(jìn)行分析。金屬帶的厚度范圍為0.6mm、0.65mm、0.7mm、0.75mm和0.8mm?？估瓘?qiáng)度選擇不同的加工硬化條件下，硬度為1/4H～1H，對(duì)應(yīng)不同的抗拉強(qiáng)度[4]。如表1所示。

在頭帶設(shè)計(jì)中，表面響應(yīng)是通過分析金屬的疲勞壽命、夾緊力和重量來構(gòu)建的。夾緊力和疲勞壽命可在早期設(shè)計(jì)階段通過有限元分析得到。結(jié)果如表1所示。在本研究中，夾持力的權(quán)重系數(shù)確定為0.2，疲勞壽命為0.4，成本為0.4。這些權(quán)重因子之和變?yōu)?。

通過將所需夾緊力設(shè)置為4.0N，加權(quán)系數(shù)為0.2，頭帶的最大循環(huán)的疲勞壽命的權(quán)重為0.4，而最佳頭帶設(shè)計(jì)的最小重量加權(quán)為0.4。這些優(yōu)化設(shè)計(jì)變量厚度為0.65mm，抗拉強(qiáng)度為1207MPa的組合可獲得最佳的輸出響應(yīng)值。夾緊力為3.2N，疲勞壽命為106.077（1193988）次，重量為4.169克。

5 結(jié)論

頭帶設(shè)計(jì)的FMEA是以識(shí)別系統(tǒng)的潛在失效模式、原因和影響為目的，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化，量化分析。兩個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)失效模式是夾緊力不當(dāng)和頭帶疲勞失效。兩個(gè)失效模式由兩個(gè)設(shè)計(jì)因素主導(dǎo)，分別是金屬帶厚度和抗拉強(qiáng)度。有限元分析（FEA）用于預(yù)測設(shè)計(jì)響應(yīng)，這些響應(yīng)是頭帶疲勞壽命和夾緊力。

根據(jù)有限元分析結(jié)果和重量分析數(shù)據(jù)，頭帶設(shè)計(jì)（金屬頭帶厚度和拉伸強(qiáng)度）使用多目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。作為一個(gè)優(yōu)化結(jié)果表明，0.65mm厚，1207MPa的抗拉強(qiáng)度的金屬帶被證明是最佳設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方法流程非常適合頭帶開發(fā)行業(yè)，尤其是在早期設(shè)計(jì)階段應(yīng)用時(shí)。這種分析確保了設(shè)計(jì)的完整性和最佳性能的實(shí)現(xiàn)，高效且低成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]奚立峰，徐剛.FMEA在過程管理中的應(yīng)用[J].工業(yè)工程與管理，2002（01）：37-39.

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[3]李強(qiáng).基于Creo Simulate的后軸頭疲勞壽命分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2018，47（11）：105-108.

[4]陳慶雷.SUS301L奧氏體不銹鋼激光焊接頭組織與力學(xué)性能的研究[D].吉林大學(xué)，2012.