CAE结构仿真分析及技术培训

CAE结构仿真分析及技术培训 -强度、振动与优化,中国科学院深圳先进技术研究院 产品与工程仿真实验室,1、题目： 电子机械产品结构强度与振动性能分析 报告人： 吴忠鸣 工程师,个人简介 吴忠鸣 硕士，工程师，2005年获华中科技大学材料加工硕士学位。2005年7月至2009年5月在富士康科技集团华南检测中心机构仿真实验室任职，2009年5月加入深圳先进技术研究院产品与工程仿真实验室。 研究领域主要包括： 结构方向的强度及疲劳分析、显式动力学、振动与噪声等，从事结构相关的产品设计优化与结合仿真手段的新产品的设计研发。 主持或参与项目： 1、NOKIA及MOTOROLA多款手机跌落、球落仿真及相关零组件强度与疲劳分析：通过校验手机整机在跌落、球落工况下的强度，以及对转轴抗扭强度及工作状况和FPC的应力及疲劳分析（压延铜），为设计方案提供改 进建议； 2、多款知名品牌电脑机箱整机模态、响应及随机振动分析：机箱在随机振动测试中部件会出现开裂现象，通过整机模态、频率响应及随机振动一系列分析找出关键频率，通过优化结构设计及改良连接方式消除开裂现象； 3、 电脑PCB板组件级静力分析：针对DELL某型号机箱组件级PCB板进行了细致的建模及静力分析，在一定载荷条件下，控制PCB板上的芯片引脚周围应变在一定范围内； 4、 温控开关弹片强度分析及灵敏性优化：通过对温控开关的工作过程仿真，寻找影响温控开关灵敏性的因子，改善尺寸、工艺参数提高了温控开关的灵敏性； 5、带包装微波炉的跌落仿真及产品结构与包装设计的优化。校验带包装微波炉整机跌落工况下的强度，优化EPS包装结构，降低了跌落冲击加速度。,题目：电子机械产品结构强度与振动性能分析 报告内容： 一、力学及材料学基本概念 二、有限元方法基础及其基本实现过程 三、有限元方法在行业中的应用 1、静载强度问题 2、跌落、冲击与碰撞问题 3、模态、振动问题,材料破坏现象：,工程结构正常工作应满足以下要求： 1、强度要求 应有足够的抵抗破坏的能力； 2、刚度要求 应有足够的抵抗变形的能力； 3、稳定性要求 应有足够的保持原有平衡形态的能力。,衡量指标 应力： 构件单位面积所受的力； 应变： 构件变形量与原始长度的比值； 弹性模量： 比例极限前，应力与应变的比值；,塑料的应力-应变曲线,橡胶的应力-应变曲线,泡沫的应力-应变曲线,材料破坏准则： 四大强度理论：,1、第一类强度理论（以脆性断裂破坏为标志） （1）第一强度理论（最大拉应力理论） 准则：无论材料处于什么应力状态，发生脆性断裂的共同原因是单元体中的 最大拉应力s1达到某个共同极限值sjx。 应用情况：符合脆性材料的拉断试验，如铸铁单向拉伸和扭转中的脆断、玻璃 在压力载荷下的破裂等。 但未考虑其余主应力影响且不能用于无拉应力的应力状态，如单向、三向压缩等。 (2)最大伸长线应变理论 （第二强度理论） 准则：无论材料处于什么应力状态，发生脆性断裂的共同原因是单元体中的 最大伸长线应变e1达到某个共同极限值ejx。 应用情况：符合表面润滑石料的轴向压缩破坏等，不符合大多数脆性材料的 脆性破坏。,2、第二类强度理论（以塑性屈服破坏为标志） （3）最大切应力理论（第三强度理论） 准则：无论在什么样的应力状态下，材料发生屈服流动的原因都是单元体内的最大切应力tmax达到某一共同的极限值tjx。 应用情况：形式简单，符合实际，广泛应用，偏于安全。 (4)第四强度理论（形状改变比能理论） 准则：不论应力状态如何，材料发生屈服的共同原因是单元体中的形状改变比能ud达到某个共同的极限值udjx。 应用情况：对塑性材料比最大剪应力准则符合实验结果。,工程仿真的基本方法是有限元方法,历史 结构分析有限元法是1950年至1960年期间，由学术界和工业界的研究人员建立起来的。 有限元的基本理论已有100年之久，而且用来计算过悬索桥和蒸汽锅炉。 中国：冯康。,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：截面积 E：模量 L：长度,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个未知量 4个方程 唯一解,有限元方法基本概念,单元,节点,网格：单元与节点的集合,把实际模型转化为离散模型，在离散模型上求解。,二维、三维模型,单元,节点,分析流程,实 体 建 模,有 限 元 建 模,边 界 条 件 施 加,求 解,结 果 显 示,前处理,后处理,（网格模型）,诺基亚手机强度测试,键盘敲击测试,雨淋测试,抗压、抗弯测试,抗扭测试,跌落（抗摔）测试,几乎所有结构类的物理试验 都可以通过有限元方法在软件里“仿真”实现！,有限元方法在结构方向的应用领域： 1、结构静载荷下的强度、刚度分析; 2、结构考虑惯性载荷下的高速冲击、跌落、碰撞分析； 3、基于结构模态的振动、频响与噪声分析； 4、基于生产工艺的金属加工、成型分析：冲压、锻造、铸造； 5、基于多体运动学的机构运动学仿真。,结构优化,结构静载荷下的强度、刚度分析,线性与非线性分析的区别 线性分析假设忽略荷载对结构刚度变化的影响。典型特征是： 小变形 应力、应变在线性弹性范围内 没有诸如两物体接触或分离时的刚度突变,如果加载引起结构刚度显著变化，必须进行非线性分析。引起结构刚度显著变化的典型原因： 应变超过弹性范围 (塑性) 大变形，例如承载的钓鱼竿 两物体之间的接触,结构考虑惯性载荷下的高速冲击、跌落、碰撞分析,跌落仿真问题的数学、力学原理,1、高度(边界)非线性 2、动力学(波动)问题 3、接触条件的处理 4、显式有限元计算,跌落试验机,冲击试验机,跌落测试方向：一角三棱六面+两种特殊情况,带包装的跌落：,扁平产品包装,长条产品包装,12” 12” 12” 21lbs,DELL跌落物理试验视频,案例：带包装微波炉跌落的CAE分析,目标 应用仿真技术进行虚拟跌落试验，从而发现结构缺陷，进行设计优化，提高强度和可靠性 通过仿真模拟，对包装进行减重和优化设计，实现节约成本的目的,第一步：建立CAE模型,第二步：确定材料和约束关系,初始速度： 约束：刚性地面，全约束,Material type 1: MAT_ELASTIC 弹性材料模型 Material type 24: MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY 多线性弹塑性材料模型 Material type 63: MAT_CRUSHABLE_FOAM 冲击泡沫材料模型 Material type 3: MAT_PLASTIC_KINEMATIC 动力硬化弹塑性材料模型 Material type S1: MAT_SPRING_ELASTIC 弹簧阻尼材料模型 Material type 20: MAT_RIGID 刚体材料模型,第三步：一角、三棱、六面的跌落仿真,物理试验结果,仿真分析结果,第四步：产品缺陷解决方案,针对XXX型微波炉产品目前存在的主要结构问题是炉脚不平，即在完成产品的跌落实验后，底板由于变压器的拉伸引起其中一个炉脚凹陷变形，从而导致炉脚的高低不平,在底板处增加支撑架对底板变形有明显的改善作用，可减小炉脚不平问题 支撑架距离前板距离近则支撑效果好 在前板局部增加L型固定架也可以有效改善底板的变形,该处增加L型固定板,增加U型支架,基于结构模态的振动、频响与噪声分析,动力分析 模态分析，计算结构的固有频率和振型。 谐响应分析，确定结构对辐值已知、频率按正弦曲线变化的荷载的响应。 瞬态动力分析，确定结构对随时间任意变化的载荷的响应，而且可以包含非线性特性。 其它结构分析功能 谱分析。 随机振动。 特征值屈曲。 子结构，子模型。,求解建筑的固有频率，及其在风载条件下的响应,在俄国圣彼得堡，一支步伐整齐的部队 经过丰坦卡河上的大桥时，由于共振现 象也发生过桥塌人亡的事件！TACOMA 海峡大桥也是由于共振现象而倒塌的。,假设给振动系统外加一个周期性的驱动力Fcost，不妨令h=F/m，则系统的受迫振动方程可为：,可以看出它是一个二阶非齐次线性常微分方程，其通解可为：,其中第一项为齐次通解，即阻尼振动成分，其“圆频率”为：,当阻尼系数不大时，阻尼振动成分的振幅按指数规律很快衰减为0，所以称之为方程（1）的暂态解。 而系统经过足够长时间后，可以认为只留下定态解，即方程（1）的非齐次特解。所以在稳定状态下， 受迫振动函数式（2）可表示为：,1,2,3,4,由式（5）可以看出，当外加驱动力的圆频率等于系统的固有圆频率0时，系统振子的位移振幅A有极大值：,此状态下，系统与外界的能量交换最大，物理学上称之为共振现象。由式（6）可以看出， 外加驱动力与位移x相位差/2，也就是驱动力与振动速度v=dx/dt相位同步时，共振效果最明显。,代入方程（1）可以确定其振幅和相位差：,5,6,7,42,Thank you!,