“CAE融入設(shè)計(jì)全過程”的觀點(diǎn)得到世界上許多著名公司的廣泛認(rèn)可。在手機(jī)設(shè)計(jì)流程中，CAE分析是銜接模型設(shè)計(jì)和模具加工的重要環(huán)節(jié)，也是提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率，縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間的關(guān)鍵。本文利用美國PTC技術(shù)公司無縫集成軟件Pro/ENGINEER Wildfire結(jié)構(gòu)分析模塊對手機(jī)殼體卡配連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，提高優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可靠性。

基本材料與簡化

由于手機(jī)應(yīng)用的特殊性，對材料性能要求較高，在設(shè)計(jì)中主要考慮選用工程塑料。根據(jù)產(chǎn)品的要求，課題選用PC和PC/ABS兩種材料作為研究對象，具體型號如下：

GE : Lexan EXL 1414 (PC)
Bayer T85 : (PC/ABS)

手機(jī)主要連接結(jié)構(gòu)為卡配結(jié)構(gòu)，卡配結(jié)構(gòu)可簡化為懸臂梁形式，簡化模型如下圖所示：

圖1 矩形截面單向或雙向錐形懸臂梁的邊界條件

圖中L表示元件長度，b端部表示端部最小寬度，h根部表示根部最大高度，h端部表示端部最小高度，P表示扣緊力，F(xiàn)表示裝配裝入力。

軟件

Pro/MECHANICA是美國PTC公司開發(fā)的有限元軟件。該軟件可以實(shí)現(xiàn)和Pro/ENGINEER的完全無縫集成，不會造成由于模型數(shù)據(jù)接口不同而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)丟失及耗時(shí)耗力的幾何模型修補(bǔ)工作。

在Pro/MECHANICA中，特定用戶定義的一個(gè)或一系列需要解決的問題被稱為設(shè)計(jì)研究，主要有三種類型：

標(biāo)準(zhǔn)分析：最基本、最簡單的設(shè)計(jì)研究類型，至少包括一個(gè)分析任務(wù)。在此設(shè)計(jì)研究中，用戶需要指定幾何模型、劃分有限元網(wǎng)格、定義材料、定義載荷和約束、定義分析類型和計(jì)算收斂方法、計(jì)算并顯示結(jié)果。

靈敏度分析：靈敏度分析是優(yōu)化設(shè)計(jì)的鋪墊。建模時(shí)，眾多的設(shè)計(jì)參數(shù)對模型性能影響程度是不同的，靈敏度分析可以定量地表示這種影響程度，確定哪些是重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，并為這些重要設(shè)計(jì)參數(shù)確定優(yōu)化設(shè)計(jì)的變化范圍。

優(yōu)化設(shè)計(jì)分析：在基本標(biāo)準(zhǔn)分析的基礎(chǔ)上，用戶指定研究目標(biāo)、約束條件（包括幾何約束和物性約束）、設(shè)計(jì)參數(shù)，然后在參數(shù)的給定范圍內(nèi)求解出滿足研究目標(biāo)和約束條件的最佳方案。

因此，Pro/MECHANICA 能完成的任務(wù)可以分成兩大類。第一類可以稱之為設(shè)計(jì)驗(yàn)證，或者設(shè)計(jì)校核；第二類稱之為模型的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

設(shè)計(jì)驗(yàn)證步驟如下：

1) 創(chuàng)建幾何模型和簡化模型；
2) 設(shè)定單位和材料屬性；
3) 定義約束、載荷和分析任務(wù)；
4) 運(yùn)行分析；
5) 顯示、評價(jià)計(jì)算結(jié)果。

設(shè)計(jì)優(yōu)化的步驟如下：

1) 創(chuàng)建幾何模型和簡化模型；
2) 設(shè)定單位和材料屬性；
3) 定義約束、載荷和設(shè)計(jì)參數(shù)；
4) 運(yùn)行靈敏度分析和優(yōu)化分析；
5) 根據(jù)優(yōu)化結(jié)果改變模型。

本課題采用Pro/MECHANICA作為分析優(yōu)化工具，首先將手機(jī)主要連接結(jié)構(gòu)（卡扣）簡化為懸壁梁，然后通過Pro/MECHANICA設(shè)計(jì)驗(yàn)證和設(shè)計(jì)優(yōu)化功能優(yōu)化連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

基于CAE的卡扣設(shè)計(jì)驗(yàn)證

根據(jù)手機(jī)卡扣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和幾何尺寸，將連接上下殼體卡扣結(jié)構(gòu)簡化成懸臂梁結(jié)構(gòu)，建立的有限元分析模型如下圖：

圖2 初始有限元分析模型

圖中，梁端部加P=6.3N水平均布載荷，梁底部墻體加全約束。分析選擇的材料性能參照GE LEXAN EXL1414性能。根據(jù)上述約束條件進(jìn)行手機(jī)卡扣設(shè)計(jì)驗(yàn)證分析，分析結(jié)果如左圖示：

圖3表示在水平均布載荷P作用下梁變形的位移圖，變化范圍為0到0.89毫米。

圖3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證分析結(jié)果－梁變形的位移圖

圖4表示在水平均布載荷P作用下梁變形的應(yīng)力圖，變化范圍為0到1.34 N/mm2。

圖4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證分析結(jié)果－梁變形的應(yīng)力圖

圖5表示在水平均布載荷P作用下梁變形的應(yīng)變圖，變化范圍為0到0.028。

圖5 設(shè)計(jì)驗(yàn)證分析結(jié)果－梁變形的應(yīng)變圖

圖6表示在水平均布載荷P作用下梁變形的受力分布圖。

圖6 設(shè)計(jì)驗(yàn)證分析結(jié)果－梁變形的受力分布圖

從標(biāo)準(zhǔn)有限元分析結(jié)果可以得到梁在6.3N力作用下，最大位移為0.89mm。最大應(yīng)變發(fā)生在梁的跟部，值為0.028。最大應(yīng)力發(fā)生在裝配力的作用處，值為88.2Mpa。結(jié)果與手工計(jì)算較符合。

基于CAE的卡扣結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于CAE的卡扣結(jié)構(gòu)優(yōu)化首先要簡化模型，然后對簡化的卡扣參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，確定影響卡扣結(jié)構(gòu)性能的重要參數(shù)，最后利用確定的重要參數(shù)對卡扣結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

卡扣優(yōu)化的目標(biāo)：質(zhì)量最小；
卡扣優(yōu)化的約束：許用應(yīng)變ε＜0.042；
卡扣優(yōu)化的目的：通過對設(shè)計(jì)參數(shù)的靈敏度分析，確定影響模型性能的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，從而優(yōu)化主要設(shè)計(jì)參數(shù)，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

卡扣模型簡化

根據(jù)手機(jī)卡扣實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸和結(jié)構(gòu)特徵將卡扣結(jié)構(gòu)簡化為懸臂梁結(jié)構(gòu)，簡化模型如左下圖所示：

圖7 卡扣簡化模型

圖7中，梁端部加P=6.3N水平均布載荷，梁底部墻體加全約束。分析選擇的材料性能參照GE LEXAN EXL1414性能。主要的設(shè)計(jì)參數(shù)有梁的厚度h，梁的寬度b，梁的搭接尺寸DIM A和DIM B，梁的錐度ANG A等。

靈敏度分析

基于以上條件，對卡扣參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析。靈敏度分析包括局部靈敏度分析和全局靈敏度分析。

局部靈敏度分析的目的是確定主要參數(shù)對模型性能的影響程度。在此選擇梁的厚度h、寬度b、搭接尺寸DIM A和DIM B，梁的錐度ANG A。各尺寸的變化范圍如表1示。

表1 卡扣靈敏度分析參數(shù)變化范圍

根據(jù)梁的約束條件、材料特性建立卡扣局部靈敏度分析，并將各參數(shù)變化范圍輸入分析模型進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明，對應(yīng)變影響較大的參數(shù)為h、b和ANG A，所以定這三個(gè)參數(shù)為全局靈敏度分析參數(shù)。

全局靈敏度分析的模型、材料特性及約束條件與局部靈敏度分析時(shí)相同，將局部靈敏度分析中確定的三個(gè)參數(shù)作為全局靈敏度分析的變量，建立卡扣的全局靈敏度分析，分析結(jié)果表明：

梁的厚度對應(yīng)變影響程度最大；
梁的錐度對應(yīng)變起反向影響，錐度越大，應(yīng)變越小。這是因?yàn)殄F度使梁的厚度減小。

優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

優(yōu)化設(shè)計(jì)是由用戶指定研究目標(biāo)、約束條件（包括幾何約束和物性約束）、設(shè)計(jì)參數(shù)，然后在參數(shù)的給定范圍內(nèi)求解出滿足研究目標(biāo)和約束條件的最佳方案。

優(yōu)化目標(biāo)：質(zhì)量最小
優(yōu)化約束：最大應(yīng)變小于0.042
優(yōu)化參數(shù)：梁的寬度b，厚度h和梁的錐度ANG A

梁端部加P=6.3N水平均布載荷，梁底部墻體加全約束。分析選擇的材料性能參照GE LEXAN EXL1414性能，分析迭代次數(shù)設(shè)為20次。根據(jù)上述條件進(jìn)行手機(jī)卡扣優(yōu)化分析，分析結(jié)果如圖示：

圖8 優(yōu)化歷史

圖8中，橫坐標(biāo)表示優(yōu)化的路徑，縱坐標(biāo)表示優(yōu)化過程中模型質(zhì)量的變化情況。從圖中可以看出，在給定的約束條件（包括幾何約束和物性約束）下，模型質(zhì)量經(jīng)三次迭代后達(dá)到最佳組合。

圖9表示優(yōu)化后模型的應(yīng)力分布情況。

圖9 優(yōu)化結(jié)果— 應(yīng)力

圖10表示優(yōu)化后模型的應(yīng)變分布情況。

圖10優(yōu)化結(jié)果— 應(yīng)變

圖11表示優(yōu)化后模型的位移分布情況。

圖11優(yōu)化結(jié)果— 位移

圖12表示出了原始結(jié)果應(yīng)變分布情況與優(yōu)化結(jié)果應(yīng)變分布情況的對比。

圖12 優(yōu)化結(jié)果與原始結(jié)果對比— 應(yīng)變

圖13表示出了原始結(jié)果位移分布情況與優(yōu)化結(jié)果位移分布情況的對比。

圖13 優(yōu)化結(jié)果與原始結(jié)果對比— 位移

優(yōu)化后的參數(shù)值如下表：

表2 優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)過優(yōu)化后，卡扣的重量從11.9g減小到10.6g,卡扣端部的位移可以達(dá)到1.55mm,而最大應(yīng)變只有0.046。從應(yīng)力、應(yīng)變圖上我們也可以看出應(yīng)力、應(yīng)變的分布比優(yōu)化前也更加均勻。

計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的主要手段和工具，而其中的CAE技術(shù)又成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)流程的核心。基于CAE的優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅為設(shè)計(jì)者減少了大量的優(yōu)化迭代時(shí)間，而且使優(yōu)化后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更加合理，顯著地提高了設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。