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CAE結(jié)構(gòu)仿真分析及技術(shù)培訓(xùn) ----強(qiáng)度、振動(dòng)與優(yōu)化,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 產(chǎn)品與工程仿真實(shí)驗(yàn)室,1、題目： 電子機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)性能分析 報(bào)告人： 吳忠鳴 工程師,個(gè)人簡(jiǎn)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(cè)中心機(jī)構(gòu)仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室。 研究領(lǐng)域主要包括： 結(jié)構(gòu)方向的強(qiáng)度及疲勞分析、顯式動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)與噪聲等，從事結(jié)構(gòu)相關(guān)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化與結(jié)合仿真手段的新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)。 主持或參與項(xiàng)目： 1、NOKIA及MOTOROLA多款手機(jī)跌落、球落仿真及相關(guān)零組件強(qiáng)度與疲勞分析：通過(guò)校驗(yàn)手機(jī)整機(jī)在跌落、球落工況下的強(qiáng)度，以及對(duì)轉(zhuǎn)軸抗扭強(qiáng)度及工作狀況和FPC的應(yīng)力及疲勞分析（壓延銅），為設(shè)計(jì)方案提供改 進(jìn)建議； 2、多款知名品牌電腦機(jī)箱整機(jī)模態(tài)、響應(yīng)及隨機(jī)振動(dòng)分析：機(jī)箱在隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試中部件會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，通過(guò)整機(jī)模態(tài)、頻率響應(yīng)及隨機(jī)振動(dòng)一系列分析找出關(guān)鍵頻率，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及改良連接方式消除開(kāi)裂現(xiàn)象； 3、 電腦PCB板組件級(jí)靜力分析：針對(duì)DELL某型號(hào)機(jī)箱組件級(jí)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?cè)谝欢ǚ秶鷥?nèi)； 4、 溫控開(kāi)關(guān)彈片強(qiáng)度分析及靈敏性優(yōu)化：通過(guò)對(duì)溫控開(kāi)關(guān)的工作過(guò)程仿真，尋找影響溫控開(kāi)關(guān)靈敏性的因子，改善尺寸、工藝參數(shù)提高了溫控開(kāi)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(jì)的優(yōu)化。校驗(yàn)帶包裝微波爐整機(jī)跌落工況下的強(qiáng)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(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)性能分析 報(bào)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(shí)現(xiàn)過(guò)程 三、有限元方法在行業(yè)中的應(yīng)用 1、靜載強(qiáng)度問(wèn)題 2、跌落、沖擊與碰撞問(wèn)題 3、模態(tài)、振動(dòng)問(wèn)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(qiáng)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(zhǎng)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(qiáng)度理論：,1、第一類強(qiáng)度理論（以脆性斷裂破壞為標(biāo)志） （1）第一強(qiáng)度理論（最大拉應(yīng)力理論） 準(zhǔn)則：無(wú)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(gè)共同極限值sjx。 應(yīng)用情況：符合脆性材料的拉斷試驗(yàn)，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(wú)拉應(yīng)力的應(yīng)力狀態(tài)，如單向、三向壓縮等。 (2)最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變理論 （第二強(qiáng)度理論） 準(zhǔn)則：無(wú)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(zhǎng)線應(yīng)變e1達(dá)到某個(gè)共同極限值ejx。 應(yīng)用情況：符合表面潤(rùn)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(qiáng)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(qiáng)度理論） 準(zhǔn)則：無(wú)論在什么樣的應(yīng)力狀態(tài)下，材料發(fā)生屈服流動(dòng)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(jiǎn)單，符合實(shí)際，廣泛應(yīng)用，偏于安全。 (4)第四強(qiáng)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(gè)共同的極限值udjx。 應(yīng)用情況：對(duì)塑性材料比最大剪應(yīng)力準(zhǔn)則符合實(shí)驗(yàn)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(lái)的。 有限元的基本理論已有100年之久，而且用來(lái)計(jì)算過(guò)懸索橋和蒸汽鍋爐。 中國(guó)：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(zhǎng)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(gè)未知量 4個(gè)方程 唯一解,,有限元方法基本概念,單元,節(jié)點(diǎn),網(wǎng)格：?jiǎn)卧c節(jié)點(diǎn)的集合,把實(shí)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(diǎn),,,,,,,,,,分析流程,實(shí) 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(jī)強(qiáng)度測(cè)試,鍵盤敲擊測(cè)試,雨淋測(cè)試,抗壓、抗彎測(cè)試,抗扭測(cè)試,跌落（抗摔）測(cè)試,幾乎所有結(jié)構(gòu)類的物理試驗(yàn) 都可以通過(guò)有限元方法在軟件里“仿真”實(shí)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(qiáng)度、剛度分析; 2、結(jié)構(gòu)考慮慣性載荷下的高速?zèng)_擊、跌落、碰撞分析； 3、基于結(jié)構(gòu)模態(tài)的振動(dòng)、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(yùn)動(dòng)學(xué)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。,,結(jié)構(gòu)優(yōu)化,,,結(jié)構(gòu)靜載荷下的強(qiáng)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(duì)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?cè)诰€性彈性范圍內(nèi) 沒(méi)有諸如兩物體接觸或分離時(shí)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(guò)彈性范圍 (塑性) 大變形，例如承載的釣魚(yú)竿 兩物體之間的接觸,,,結(jié)構(gòu)考慮慣性載荷下的高速?zèng)_擊、跌落、碰撞分析,跌落仿真問(wèn)題的數(shù)學(xué)、力學(xué)原理,1、高度(邊界)非線性 2、動(dòng)力學(xué)(波動(dòng))問(wèn)題 3、接觸條件的處理 4、顯式有限元計(jì)算,跌落試驗(yàn)機(jī),沖擊試驗(yàn)機(jī),跌落測(cè)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(zhǎng)條產(chǎn)品包裝,,12” ×12” ×12” 21lbs,DELL跌落物理試驗(yàn)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(yàn)，從而發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷，進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，提高強(qiáng)度和可靠性 通過(guò)仿真模擬，對(duì)包裝進(jìn)行減重和優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)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(dòng)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(yàn)結(jié)果,仿真分析結(jié)果,第四步：產(chǎn)品缺陷解決方案,針對(duì)XXX型微波爐產(chǎn)品目前存在的主要結(jié)構(gòu)問(wèn)題是爐腳不平，即在完成產(chǎn)品的跌落實(shí)驗(yàn)后，底板由于變壓器的拉伸引起其中一個(gè)爐腳凹陷變形，從而導(dǎo)致?tīng)t腳的高低不平,在底板處增加支撐架對(duì)底板變形有明顯的改善作用，可減小爐腳不平問(wèn)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(dòng)、頻響與噪聲分析,動(dòng)力分析 模態(tài)分析，計(jì)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(duì)輻值已知、頻率按正弦曲線變化的荷載的響應(yīng)。 瞬態(tài)動(dòng)力分析，確定結(jié)構(gòu)對(duì)隨時(shí)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(jī)振動(dòng)。 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(guó)圣彼得堡，一支步伐整齊的部隊(duì) 經(jīng)過(guò)豐坦卡河上的大橋時(shí)，由于共振現(xiàn) 象也發(fā)生過(guò)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(dòng)系統(tǒng)外加一個(gè)周期性的驅(qū)動(dòng)力Fcosωt，不妨令h=F/m，則系統(tǒng)的受迫振動(dòng)方程可為：,可以看出它是一個(gè)二階非齊次線性常微分方程，其通解可為：,其中第一項(xiàng)為齊次通解，即阻尼振動(dòng)成分，其“圓頻率”為：,當(dāng)阻尼系數(shù)β不大時(shí)，阻尼振動(dòng)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(guò)足夠長(zhǎng)時(shí)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(dòng)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(dòng)力的圓頻率ω等于系統(tǒng)的固有圓頻率ω0時(shí)，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(dòng)力與位移x相位差π/2，也就是驅(qū)動(dòng)力與振動(dòng)速度v=dx/dt相位同步時(shí)，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!!,