CAE結(jié)構(gòu)仿真分析及技術(shù)培訓(xùn)

CAE結(jié)構(gòu)仿真分析及技術(shù)培訓(xùn) -強度、振動與優(yōu)化,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 產(chǎn)品與工程仿真實驗室,1、題目： 電子機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(xué)材料加工碩士學(xué)位。2005年7月至2009年5月在富士康科技集團(tuán)華南檢測中心機構(gòu)仿真實驗室任職，2009年5月加入深圳先進(jìn)技術(shù)研究院產(chǎn)品與工程仿真實驗室。 研究領(lǐng)域主要包括： 結(jié)構(gòu)方向的強度及疲勞分析、顯式動力學(xué)、振動與噪聲等，從事結(jié)構(gòu)相關(guān)的產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化與結(jié)合仿真手段的新產(chǎn)品的設(shè)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(guān)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(zhuǎn)軸抗扭強度及工作狀況和FPC的應(yīng)力及疲勞分析（壓延銅），為設(shè)計方案提供改 進(jìn)建議； 2、多款知名品牌電腦機箱整機模態(tài)、響應(yīng)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(yīng)及隨機振動一系列分析找出關(guān)鍵頻率，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)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DELL某型號機箱組件級PCB板進(jìn)行了細(xì)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(yīng)變在一定范圍內(nèi)； 4、 溫控開關(guān)彈片強度分析及靈敏性優(yōu)化：通過對溫控開關(guān)的工作過程仿真，尋找影響溫控開關(guān)靈敏性的因子，改善尺寸、工藝參數(shù)提高了溫控開關(guān)的靈敏性； 5、帶包裝微波爐的跌落仿真及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與包裝設(shè)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(jié)構(gòu)，降低了跌落沖擊加速度。,題目：電子機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度與振動性能分析 報告內(nèi)容： 一、力學(xué)及材料學(xué)基本概念 二、有限元方法基礎(chǔ)及其基本實現(xiàn)過程 三、有限元方法在行業(yè)中的應(yīng)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(jié)構(gòu)正常工作應(yīng)滿足以下要求： 1、強度要求 應(yīng)有足夠的抵抗破壞的能力； 2、剛度要求 應(yīng)有足夠的抵抗變形的能力； 3、穩(wěn)定性要求 應(yīng)有足夠的保持原有平衡形態(tài)的能力。,衡量指標(biāo) 應(yīng)力： 構(gòu)件單位面積所受的力； 應(yīng)變： 構(gòu)件變形量與原始長度的比值； 彈性模量： 比例極限前，應(yīng)力與應(yīng)變的比值；,塑料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,橡膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,泡沫的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,材料破壞準(zhǔn)則： 四大強度理論：,1、第一類強度理論（以脆性斷裂破壞為標(biāo)志） （1）第一強度理論（最大拉應(yīng)力理論） 準(zhǔn)則：無論材料處于什么應(yīng)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(yīng)力s1達(dá)到某個共同極限值sjx。 應(yīng)用情況：符合脆性材料的拉斷試驗，如鑄鐵單向拉伸和扭轉(zhuǎn)中的脆斷、玻璃 在壓力載荷下的破裂等。 但未考慮其余主應(yīng)力影響且不能用于無拉應(yīng)力的應(yīng)力狀態(tài)，如單向、三向壓縮等。 (2)最大伸長線應(yīng)變理論 （第二強度理論） 準(zhǔn)則：無論材料處于什么應(yīng)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(yīng)變e1達(dá)到某個共同極限值ejx。 應(yīng)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(biāo)志） （3）最大切應(yīng)力理論（第三強度理論） 準(zhǔn)則：無論在什么樣的應(yīng)力狀態(tài)下，材料發(fā)生屈服流動的原因都是單元體內(nèi)的最大切應(yīng)力tmax達(dá)到某一共同的極限值tjx。 應(yīng)用情況：形式簡單，符合實際，廣泛應(yīng)用，偏于安全。 (4)第四強度理論（形狀改變比能理論） 準(zhǔn)則：不論應(yīng)力狀態(tài)如何，材料發(fā)生屈服的共同原因是單元體中的形狀改變比能ud達(dá)到某個共同的極限值udjx。 應(yīng)用情況：對塑性材料比最大剪應(yīng)力準(zhǔn)則符合實驗結(jié)果。,工程仿真的基本方法是有限元方法,歷史 結(jié)構(gòu)分析有限元法是1950年至1960年期間，由學(xué)術(shù)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 (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(wǎng)格：單元與節(jié)點的集合,把實際模型轉(zhuǎn)化為離散模型，在離散模型上求解。,二維、三維模型,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(jié) 果 顯 示,前處理,后處理,（網(wǎng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)方向的應(yīng)用領(lǐng)域： 1、結(jié)構(gòu)靜載荷下的強度、剛度分析; 2、結(jié)構(gòu)考慮慣性載荷下的高速沖擊、跌落、碰撞分析； 3、基于結(jié)構(gòu)模態(tài)的振動、頻響與噪聲分析； 4、基于生產(chǎn)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(xué)的機構(gòu)運動學(xué)仿真。,結(jié)構(gòu)優(yōu)化,結(jié)構(gòu)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(shè)忽略荷載對結(jié)構(gòu)剛度變化的影響。典型特征是： 小變形 應(yīng)力、應(yīng)變在線性彈性范圍內(nèi) 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(jié)構(gòu)剛度顯著變化，必須進(jìn)行非線性分析。引起結(jié)構(gòu)剛度顯著變化的典型原因： 應(yīng)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(jié)構(gòu)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(xué)、力學(xué)原理,1、高度(邊界)非線性 2、動力學(xué)(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(chǎn)品包裝,長條產(chǎn)品包裝,12” ×12” ×12” 21lbs,DELL跌落物理試驗視頻,案例：帶包裝微波爐跌落的CAE分析,目標(biāo) 應(yīng)用仿真技術(shù)進(jìn)行虛擬跌落試驗，從而發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷，進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，提高強度和可靠性 通過仿真模擬，對包裝進(jìn)行減重和優(yōu)化設(shè)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(guān)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_PLASTICITY 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(jié)果,仿真分析結(jié)果,第四步：產(chǎn)品缺陷解決方案,針對XXX型微波爐產(chǎn)品目前存在的主要結(jié)構(gòu)問題是爐腳不平，即在完成產(chǎn)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(dǎo)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(jié)構(gòu)模態(tài)的振動、頻響與噪聲分析,動力分析 模態(tài)分析，計算結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。 諧響應(yīng)分析，確定結(jié)構(gòu)對輻值已知、頻率按正弦曲線變化的荷載的響應(yīng)。 瞬態(tài)動力分析，確定結(jié)構(gòu)對隨時間任意變化的載荷的響應(yīng)，而且可以包含非線性特性。 其它結(jié)構(gòu)分析功能 譜分析。 隨機振動。 特征值屈曲。 子結(jié)構(gòu)，子模型。,求解建筑的固有頻率，及其在風(fēng)載條件下的響應(yīng),在俄國圣彼得堡，一支步伐整齊的部隊 經(jīng)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(shè)給振動系統(tǒng)外加一個周期性的驅(qū)動力Fcost，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(dāng)阻尼系數(shù)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(jīng)過足夠長時間后，可以認(rèn)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（5）可以看出，當(dāng)外加驅(qū)動力的圓頻率等于系統(tǒng)的固有圓頻率0時，系統(tǒng)振子的位移振幅A有極大值：,此狀態(tài)下，系統(tǒng)與外界的能量交換最大，物理學(xué)上稱之為共振現(xiàn)象。由式（6）可以看出， 外加驅(qū)動力與位移x相位差/2，也就是驅(qū)動力與振動速度v=dx/dt相位同步時，共振效果最明顯。,代入方程（1）可以確定其振幅和相位差：,5,6,7,42,Thank you!,