CAE結(jié)構(gòu)仿真分析及技術(shù)培訓
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CAE結(jié)構(gòu)仿真分析及技術(shù)培訓 ----強度、振動與優(yōu)化,中國科學院深圳先進技術(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(gòu)仿真實驗室任職,2009年5月加入深圳先進技術(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、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(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、力學及材料學基本概念 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 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(yīng)力理論) 準則: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志) (3)最大切應(yīng)力理論(第三強度理論) 準則: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、基于多體運動學的機構(gòu)運動學仿真。,,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、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(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 應(yīng)用仿真技術(shù)進行虛擬跌落試驗,從而發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷,進行設(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(jīng)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(5)可以看出,當外加驅(qū)動力的圓頻率ω等于系統(tǒng)的固有圓頻率ω0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π/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!!,- 1.請仔細閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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