掉落測試(Drop test)

行動型或手持式消費性產品，例如手機、筆電、Pad等等，
經常需要考慮到使用者一個不小心手殘掉到地上的狀況；
或者是像商品包裝，也必須考慮包裝材料對內容物的的保護效果*5。

印象中在兒子小學高年級還是國中時，曾經有老師出了一個作業，
要設計製作一個保護結構，讓雞蛋從教室四樓丟下(自由落體)，雞蛋不會破。
根本是整家長，還好我是專家，piece of cake。

先說雞蛋從四樓掉到地上不會破需要什麼條件？
第一是接觸地面瞬間的速度越慢越好。
第二是撞擊瞬間傳到雞蛋的能量越小越好。
第三是殼厚一點的雞蛋或乾脆把雞蛋煮熟。

第一條：減速！降落傘結構。
第二條：軟材料吸收衝擊能量。

主要容器用紙杯，
紙杯上方邊緣穿四個孔綁繩子綁塑膠袋當降落傘。
裡面用氣泡紙或紙捲成條狀、折成多折，或者是用海棉墊包住雞蛋都可以。
結果？
當然是成功！雞蛋還真的沒破…

在班上算是少數雞蛋沒破的，可臭屁了…

好了，廢話結束，既然在產品上必需要作掉落測試，
CAE軟體的價值就出現了，
透過模擬改善設計減少製作樣品進行測試的數量與成本跟時間。

很多結構分析軟體都有提供"Drop test"模擬功能，
包括我比較熟悉的

Autodesk Simulation Mechanical跟

Inventor Nastran (Nastran In CAD)。

以設定的方便性來說，

Autodesk Simulation Mechanical 比多數 CAE 軟體容易使用*3&4，

計算與收斂性就需要技巧去調整 time step 跟 contact stiffness。

Inventor Nastran 是以Impact Analysis*1來進行 Drop Test*2，

設定操作上比較麻煩，

在 time step設定上也比較沒有彈性跟效率。

掉落測試模擬基本上的設定就是不離 CAE 軟體一些基本概念：

1. 幾何形狀：包括產品跟碰撞的虛擬地面

2. 邊界條件：

2.1. 自由落體模擬下產品的起始高度，

2.2. 或者是根據等加速度運動計算碰撞瞬間的速度值作為初始條件

2.3. 設定重力方向

3. 設定接觸條件：

3.1. 碰撞面

3.2. 接觸剛性，Stiffness of contact

3.3. 穿透量，Penetrations

4. 模擬設定：

4.1. 模擬時間長度

4.2. 模擬時間間隔，time step 或 resolution

4.3. 是否回彈

Inventor Nastran 比較麻煩還要設定產品移動路徑，

也不像 Autodesk Simulation Mechanical還可以看到回彈，

可惜 Autodesk 已經很停止該產品的維護更新與銷售。

參考資料：
Inventor Nastran：
1. Ball impact
2. Drop test

Autodesk Simulation Mechanical：
3. Drop test wizard
4. Drop test

5. ASTM 5276-98, Standard Test Method for Drop Test of Loaded Containers by Free Fall