cae結構仿真分析及技術培訓

1、CAE結構仿真分析及技術培訓----強度、振動與優(yōu)化,中國科學院深圳先進技術研究院產品與工程仿真實驗室,1、題目： 電子機械產品結構強度與振動性能分析 報告人： 吳忠鳴 工程師,個人簡介吳忠鳴碩士，工程師，2005年獲華中科技大學材料加工碩士學位。2005年7月至2009年5月在富士康科技集團華南檢測中心機構仿真實驗室任職，2009年5月加

2、入深圳先進技術研究院產品與工程仿真實驗室。研究領域主要包括： 結構方向的強度及疲勞分析、顯式動力學、振動與噪聲等，從事結構相關的產品設計優(yōu)化與結合仿真手段的新產品的設計研發(fā)。主持或參與項目：       1、NOKIA及MOTOROLA多款手機跌落、球落仿真及相關零組件強度與疲勞分析：通過校驗手機整機在跌落、球落工況下的強度，以及對轉軸抗扭強度及工作狀況和FPC的

3、應力及疲勞分析（壓延銅），為設計方案提供改進建議；        2、多款知名品牌電腦機箱整機模態(tài)、響應及隨機振動分析：機箱在隨機振動測試中部件會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，通過整機模態(tài)、頻率響應及隨機振動一系列分析找出關鍵頻率，通過優(yōu)化結構設計及改良連接方式消除開裂現(xiàn)象；       3、 電腦PCB板組件級靜力分析：針對D

4、ELL某型號機箱組件級PCB板進行了細致的建模及靜力分析，在一定載荷條件下，控制PCB板上的芯片引腳周圍應變在一定范圍內；       4、 溫控開關彈片強度分析及靈敏性優(yōu)化：通過對溫控開關的工作過程仿真，尋找影響溫控開關靈敏性的因子，改善尺寸、工藝參數(shù)提高了溫控開關的靈敏性；       5、帶包裝微波爐的跌落仿

5、真及產品結構與包裝設計的優(yōu)化。校驗帶包裝微波爐整機跌落工況下的強度，優(yōu)化EPS包裝結構，降低了跌落沖擊加速度。,題目：電子機械產品結構強度與振動性能分析報告內容：一、力學及材料學基本概念二、有限元方法基礎及其基本實現(xiàn)過程三、有限元方法在行業(yè)中的應用 1、靜載強度問題 2、跌落、沖擊與碰撞問題 3、模態(tài)、振動問題,材料破壞現(xiàn)象：,工程結構正常工作應滿足以下要求：1、強度要求 應有

6、足夠的抵抗破壞的能力；2、剛度要求 應有足夠的抵抗變形的能力；3、穩(wěn)定性要求 應有足夠的保持原有平衡形態(tài)的能力。,衡量指標應力：構件單位面積所受的力；應變：構件變形量與原始長度的比值；彈性模量：比例極限前，應力與應變的比值；,,,塑料的應力-應變曲線,橡膠的應力-應變曲線,泡沫的應力-應變曲線,材料破壞準則：四大強度理論：,1、第一類強度理論（以脆性斷裂破壞為標志）（1）第一強度理論（最大拉應

7、力理論）準則：無論材料處于什么應力狀態(tài)，發(fā)生脆性斷裂的共同原因是單元體中的最大拉應力s1達到某個共同極限值sjx。應用情況：符合脆性材料的拉斷試驗，如鑄鐵單向拉伸和扭轉中的脆斷、玻璃在壓力載荷下的破裂等。但未考慮其余主應力影響且不能用于無拉應力的應力狀態(tài)，如單向、三向壓縮等。(2)最大伸長線應變理論 （第二強度理論）準則：無論材料處于什么應力狀態(tài)，發(fā)生脆性斷裂的共同原因是單元體中的最大伸長線應變e1達到某個共同極限值e

8、jx。應用情況：符合表面潤滑石料的軸向壓縮破壞等，不符合大多數(shù)脆性材料的脆性破壞。,2、第二類強度理論（以塑性屈服破壞為標志）（3）最大切應力理論（第三強度理論）準則：無論在什么樣的應力狀態(tài)下，材料發(fā)生屈服流動的原因都是單元體內的最大切應力tmax達到某一共同的極限值tjx。應用情況：形式簡單，符合實際，廣泛應用，偏于安全。 (4)第四強度理論（形狀改變比能理論）準則：不論應力狀態(tài)如何，材料發(fā)生屈服的共同原因是單元體中的

9、形狀改變比能ud達到某個共同的極限值udjx。應用情況：對塑性材料比最大剪應力準則符合實驗結果。,工程仿真的基本方法是有限元方法,歷史結構分析有限元法是1950年至1960年期間，由學術界和工業(yè)界的研究人員建立起來的。有限元的基本理論已有100年之久，而且用來計算過懸索橋和蒸汽鍋爐。中國：馮康。,有限元方法：Finite element method (FEM)有限元分析：Finite element analysis (

10、FEA),有限元方法基本概念,,,,,,,,F,位移：,,U,F：力A：截面積E：模量L：長度,,,,,,,F,U=？,,,,,,,F/A,U/L,E,,,有限元方法基本概念,,,,,,,F,,,,,u0,,,u1,u2,u3,A1,A2,A3,,,,,,,x,u,u0,u1,u2,u3,4個未知量4個方程唯一解,,有限元方法基本概念,單元,節(jié)點,網格：單元與節(jié)點的集合,把實際模型轉化為離散模型，在離散模型上求解。,二維、三維

11、模型,,單元,,節(jié)點,,,,,,,,,,分析流程,實體建模,有限元建模,邊界條件施加,求解,結果顯示,,,,前處理,后處理,,（網格模型）,諾基亞手機強度測試,鍵盤敲擊測試,雨淋測試,抗壓、抗彎測試,抗扭測試,跌落（抗摔）測試,幾乎所有結構類的物理試驗都可以通過有限元方法在軟件里“仿真”實現(xiàn)！??！,有限元方法在結構方向的應用領域：1、結構靜載荷下的強度、剛度分析;2、結構考慮慣性載荷下的高速沖擊、

12、跌落、碰撞分析；3、基于結構模態(tài)的振動、頻響與噪聲分析；4、基于生產工藝的金屬加工、成型分析：沖壓、鍛造、鑄造；5、基于多體運動學的機構運動學仿真。,,結構優(yōu)化,,,結構靜載荷下的強度、剛度分析,線性與非線性分析的區(qū)別線性分析假設忽略荷載對結構剛度變化的影響。典型特征是： 小變形應力、應變在線性彈性范圍內沒有諸如兩物體接觸或分離時的剛度突變,如果加載引起結構剛度顯著變化，必須進行非線性分析。引起結構剛度顯著變化的典型原因：

13、 應變超過彈性范圍 (塑性)大變形，例如承載的釣魚竿兩物體之間的接觸,,,結構考慮慣性載荷下的高速沖擊、跌落、碰撞分析,跌落仿真問題的數(shù)學、力學原理,1、高度(邊界)非線性2、動力學(波動)問題3、接觸條件的處理4、顯式有限元計算,跌落試驗機,沖擊試驗機,跌落測試方向：一角三棱六面+兩種特殊情況,帶包裝的跌落：,扁平產品包裝,長條產品包裝,,12” ×12” ×12”21lbs,DELL跌落物理試驗視頻

14、,案例：帶包裝微波爐跌落的CAE分析,目標應用仿真技術進行虛擬跌落試驗，從而發(fā)現(xiàn)結構缺陷，進行設計優(yōu)化，提高強度和可靠性通過仿真模擬，對包裝進行減重和優(yōu)化設計，實現(xiàn)節(jié)約成本的目的,第一步：建立CAE模型,第二步：確定材料和約束關系,初始速度：約束：剛性地面，全約束,Material type 1: MAT_ELASTIC 彈性材料模型Material type 24: MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICI

15、TY 多線性彈塑性材料模型Material type 63: MAT_CRUSHABLE_FOAM 沖擊泡沫材料模型Material type 3: MAT_PLASTIC_KINEMATIC 動力硬化彈塑性材料模型Material type S1: MAT_SPRING_ELASTIC 彈簧阻尼材料模型Material type 20: MAT_RIGID 剛體材料模型,第三步：一角、三棱、六面的跌落仿真,物理試驗結果,

16、仿真分析結果,第四步：產品缺陷解決方案,針對XXX型微波爐產品目前存在的主要結構問題是爐腳不平，即在完成產品的跌落實驗后，底板由于變壓器的拉伸引起其中一個爐腳凹陷變形，從而導致爐腳的高低不平,在底板處增加支撐架對底板變形有明顯的改善作用，可減小爐腳不平問題支撐架距離前板距離近則支撐效果好在前板局部增加L型固定架也可以有效改善底板的變形,,該處增加L型固定板,,增加U型支架,基于結構模態(tài)的振動、頻響與噪聲分析,動力分析模態(tài)分析，計算

17、結構的固有頻率和振型。諧響應分析，確定結構對輻值已知、頻率按正弦曲線變化的荷載的響應。瞬態(tài)動力分析，確定結構對隨時間任意變化的載荷的響應，而且可以包含非線性特性。其它結構分析功能譜分析。隨機振動。特征值屈曲。子結構，子模型。,求解建筑的固有頻率，及其在風載條件下的響應,在俄國圣彼得堡，一支步伐整齊的部隊經過豐坦卡河上的大橋時，由于共振現(xiàn)象也發(fā)生過橋塌人亡的事件！TACOMA海峽大橋也是由于共振現(xiàn)象而倒塌的。,假設給振

18、動系統(tǒng)外加一個周期性的驅動力Fcosωt，不妨令h=F/m，則系統(tǒng)的受迫振動方程可為：,可以看出它是一個二階非齊次線性常微分方程，其通解可為：,其中第一項為齊次通解，即阻尼振動成分，其“圓頻率”為：,當阻尼系數(shù)β不大時，阻尼振動成分的振幅按指數(shù)規(guī)律很快衰減為0，所以稱之為方程（1）的暫態(tài)解。而系統(tǒng)經過足夠長時間后，可以認為只留下定態(tài)解，即方程（1）的非齊次特解。所以在穩(wěn)定狀態(tài)下，受迫振動函數(shù)式（2）可表示為：,1,2,3,4,由式（