4. 跌落仿真前处理环境与操作流程

跌落冲击仿真的前处理质量，直接决定后续显式动力学求解能否稳定推进、结果是否可信。LS-DYNA 本身是求解器，真正承担建模、网格、材料、接触、边界与关键字组织工作的，通常是 LS-PrePost。本节围绕一个典型手机外壳跌落案例，把前处理环境、几何导入清理、网格划分策略以及材料与单元类型选择串成一条可执行的操作链。

一、LS-PrePost 界面与工作逻辑

LS-PrePost 的界面可以理解为“图形区 + 菜单区 + 命令区 + 状态区”四块。图形区用于旋转、平移、缩放和拾取；顶部菜单提供 File、Mesh、Model、Keyword、Application 等入口；右侧或底部命令区可输入命令并回显；状态区显示当前模型单位、部件数、节点数、单元数以及警告信息。前处理阶段最常用的入口是 Mesh（几何清理与网格）、Model（材料、单元、接触、边界）、Keyword（关键字编辑与输出）以及 Application 中的跌落设置向导。

需要特别强调的是单位一致性。LS-DYNA 没有内置单位制，所有输入必须自洽。跌落仿真常用两种组合：一是 mm-ton-s-N-MPa，密度用 t/mm³，重力加速度取 9806.65 mm/s²；二是 m-kg-s-N-Pa，密度用 kg/m³，重力加速度取 9.80665 m/s²。建议在建模开始前就固定一套，并在 LS-PrePost 中通过 Model → Units 或关键字中的单位注释统一记录，避免后续材料参数与几何尺寸错配。

二、几何导入与清理

几何通常来自 CAD 的 STEP、IGES 或 Parasolid 文件。导入后不要急于划网格，先做三件事：检查模型是否封闭、检查是否存在微小面与重复面、检查关键尺寸是否与设计一致。LS-PrePost 的 Geometry → Topology 可以显示自由边、共享边和重复面；Geometry → Defeature 可删除倒角、小孔、圆角等对跌落响应影响较小的特征，以降低网格规模。

以一个 150 mm × 75 mm × 8 mm 的手机外壳为例，若保留全部 0.3 mm 倒角和 1 mm 螺丝孔，壳体会产生大量畸形单元；合理做法是删除小于 1 mm 的倒角、合并距离小于 0.05 mm 的重复节点、修补自由边。清理完成后，用 Geometry → Check 确认没有自由边和重复面，再进入网格划分。几何清理的目标不是“好看”，而是让网格在冲击载荷下不出现负体积和沙漏失控。

三、网格划分策略

跌落冲击以薄壁结构为主，优先采用壳单元。壳单元网格尺寸建议控制在 1～2 mm，关键区域如角部、卡扣、屏幕边缘可局部加密到 0.5 mm。网格形状以四边形为主，三角形比例尽量低于 5%，避免在冲击波传播中产生过刚或过柔的局部响应。对于厚度方向不可忽略的实体区域，如电池、摄像头模组，可采用六面体或四面体单元，但四面体应使用全积分或二阶单元以减小剪切自锁。

网格质量检查至少关注四项：翘曲度（Warpage）小于 15°、长宽比（Aspect Ratio）小于 5、雅可比（Jacobian）大于 0.6、最小内角大于 30°。LS-PrePost 的 Mesh → Check 可逐项显示不合格单元并支持自动修复。对于跌落仿真，还应在接触区域保证网格密度一致，避免主从面网格尺寸差异过大导致接触穿透或漏检。

四、材料与单元类型选择

跌落仿真中，材料模型的选择取决于部件在冲击下的实际响应。手机外壳常用 MAT_PLASTIC_KINEMATIC（MAT_024），它支持等向强化和随动强化，能较好描述金属薄壁的塑性变形与回弹。屏幕玻璃可用 MAT_JOHNSON_COOK（MAT_015），通过应变率相关参数描述脆性材料在高应变率下的强度提升。泡棉、缓冲垫建议使用 MAT_LOW_DENSITY_FOAM（MAT_057），其应力-应变曲线可直接输入压缩实验数据。电池等内部质量块可用 MAT_ELASTIC_PLASTIC（MAT_003）简化处理。

单元类型方面，壳单元推荐 ELFORM=2（Belytschko-Tsay），计算效率高且对薄壁结构稳定；若壳单元出现严重翘曲，可改用 ELFORM=16 或 ELFORM=-16。实体单元推荐 ELFORM=1（常应力六面体），配合沙漏控制 IHQ=4、系数 0.05。壳单元厚度方向积分点 NIP=5 足以捕捉弯曲应力分布。对于可能发生大变形的泡棉，可开启 ELFORM=1 并配合 MAT_057 的拉伸截断，防止负体积。

完成上述步骤后，前处理模型应具备：几何干净、网格质量达标、材料参数与单位制自洽、单元类型与部件响应匹配。此时再进入接触定义、初始速度与重力加载，才能保证跌落仿真在显式积分中稳定推进，并为后续结果判读提供可信基础。