基于CAE的手机连接结构优化设计

“CAE融入设计全过程”的观点得到世界上许多著名公司的广泛认可。在手机设计流程中，CAE分析是衔接模型设计和模具加工的重要环节，也是提高设计质量和设计效率，缩短产品开发时间的关键。本文利用美国PTC技术公司无缝集成软件Pro/ENGINEER Wildfire结构分析模块对手机壳体卡配连接结构进行有限元分析，提高优化设计的效率和产品设计的可靠性。

基本材料与简化

由于手机应用的特殊性，对材料性能要求较高，在设计中主要考虑选用工程塑料。根据产品的要求，课题选用PC和PC/ABS两种材料作为研究对象，具体型号如下：

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

手机主要连接结构为卡配结构，卡配结构可简化为悬臂梁形式，简化模型如下图所示：

图1 矩形截面单向或双向锥形悬臂梁的边界条件

图中L表示元件长度，b端部表示端部最小宽度，h根部表示根部最大高度，h端部表示端部最小高度，P表示扣紧力，F表示装配装入力。

软件

Pro/MECHANICA是美国PTC公司开发的有限元软件。该软件可以实现和Pro/ENGINEER的完全无缝集成，不会造成由于模型数据接口不同而产生的数据丢失及耗时耗力的几何模型修补工作。

在Pro/MECHANICA中，特定用户定义的一个或一系列需要解决的问题被称为设计研究，主要有三种类型：

标准分析：最基本、最简单的设计研究类型，至少包括一个分析任务。在此设计研究中，用户需要指定几何模型、划分有限元网格、定义材料、定义载荷和约束、定义分析类型和计算收敛方法、计算并显示结果。

灵敏度分析：灵敏度分析是优化设计的铺垫。建模时，众多的设计参数对模型性能影响程度是不同的，灵敏度分析可以定量地表示这种影响程度，确定哪些是重要的设计参数，并为这些重要设计参数确定优化设计的变化范围。

优化设计分析：在基本标准分析的基础上，用户指定研究目标、约束条件（包括几何约束和物性约束）、设计参数，然后在参数的给定范围内求解出满足研究目标和约束条件的最佳方案。

因此，Pro/MECHANICA 能完成的任务可以分成两大类。第一类可以称之为设计验证，或者设计校核；第二类称之为模型的设计优化。

设计验证步骤如下：

1) 创建几何模型和简化模型；
2) 设定单位和材料属性；
3) 定义约束、载荷和分析任务；
4) 运行分析；
5) 显示、评价计算结果。

设计优化的步骤如下：

1) 创建几何模型和简化模型；
2) 设定单位和材料属性；
3) 定义约束、载荷和设计参数；
4) 运行灵敏度分析和优化分析；
5) 根据优化结果改变模型。

本课题采用Pro/MECHANICA作为分析优化工具，首先将手机主要连接结构（卡扣）简化为悬壁梁，然后通过Pro/MECHANICA设计验证和设计优化功能优化连接结构的设计参数。

基于CAE的卡扣设计验证

根据手机卡扣的结构特点和几何尺寸，将连接上下壳体卡扣结构简化成悬臂梁结构，建立的有限元分析模型如下图：

图2 初始有限元分析模型

图中，梁端部加P=6.3N水平均布载荷，梁底部墙体加全约束。分析选择的材料性能参照GE LEXAN EXL1414性能。根据上述约束条件进行手机卡扣设计验证分析，分析结果如左图示：

图3表示在水平均布载荷P作用下梁变形的位移图，变化范围为0到0.89毫米。

图3 设计验证分析结果－梁变形的位移图

图4表示在水平均布载荷P作用下梁变形的应力图，变化范围为0到1.34 N/mm2。

图4 设计验证分析结果－梁变形的应力图

图5表示在水平均布载荷P作用下梁变形的应变图，变化范围为0到0.028。

图5 设计验证分析结果－梁变形的应变图

图6表示在水平均布载荷P作用下梁变形的受力分布图。

图6 设计验证分析结果－梁变形的受力分布图

从标准有限元分析结果可以得到梁在6.3N力作用下，最大位移为0.89mm。最大应变发生在梁的跟部，值为0.028。最大应力发生在装配力的作用处，值为88.2Mpa。结果与手工计算较符合。

基于CAE的卡扣结构优化

基于CAE的卡扣结构优化首先要简化模型，然后对简化的卡扣参数进行灵敏度分析，确定影响卡扣结构性能的重要参数，最后利用确定的重要参数对卡扣结构进行优化。

卡扣优化的目标：质量最小；
卡扣优化的约束：许用应变ε＜0.042；
卡扣优化的目的：通过对设计参数的灵敏度分析，确定影响模型性能的主要设计参数，从而优化主要设计参数，达到设计目标。

卡扣模型简化

根据手机卡扣实际设计尺寸和结构特徵将卡扣结构简化为悬臂梁结构，简化模型如左下图所示：

图7 卡扣简化模型

图7中，梁端部加P=6.3N水平均布载荷，梁底部墙体加全约束。分析选择的材料性能参照GE LEXAN EXL1414性能。主要的设计参数有梁的厚度h，梁的宽度b，梁的搭接尺寸DIM A和DIM B，梁的锥度ANG A等。

灵敏度分析

基于以上条件，对卡扣参数进行灵敏度分析。灵敏度分析包括局部灵敏度分析和全局灵敏度分析。

局部灵敏度分析的目的是确定主要参数对模型性能的影响程度。在此选择梁的厚度h、宽度b、搭接尺寸DIM A和DIM B，梁的锥度ANG A。各尺寸的变化范围如表1示。

表1 卡扣灵敏度分析参数变化范围

根据梁的约束条件、材料特性建立卡扣局部灵敏度分析，并将各参数变化范围输入分析模型进行分析。分析结果表明，对应变影响较大的参数为h、b和ANG A，所以定这三个参数为全局灵敏度分析参数。

全局灵敏度分析的模型、材料特性及约束条件与局部灵敏度分析时相同，将局部灵敏度分析中确定的三个参数作为全局灵敏度分析的变量，建立卡扣的全局灵敏度分析，分析结果表明：

梁的厚度对应变影响程度最大；
梁的锥度对应变起反向影响，锥度越大，应变越小。这是因为锥度使梁的厚度减小。

优化设计分析

优化设计是由用户指定研究目标、约束条件（包括几何约束和物性约束）、设计参数，然后在参数的给定范围内求解出满足研究目标和约束条件的最佳方案。

优化目标：质量最小
优化约束：最大应变小于0.042
优化参数：梁的宽度b，厚度h和梁的锥度ANG A

梁端部加P=6.3N水平均布载荷，梁底部墙体加全约束。分析选择的材料性能参照GE LEXAN EXL1414性能，分析迭代次数设为20次。根据上述条件进行手机卡扣优化分析，分析结果如图示：

图8 优化历史

图8中，横坐标表示优化的路径，纵坐标表示优化过程中模型质量的变化情况。从图中可以看出，在给定的约束条件（包括几何约束和物性约束）下，模型质量经三次迭代后达到最佳组合。

图9表示优化后模型的应力分布情况。

图9 优化结果— 应力

图10表示优化后模型的应变分布情况。

图10优化结果— 应变

图11表示优化后模型的位移分布情况。

图11优化结果— 位移

图12表示出了原始结果应变分布情况与优化结果应变分布情况的对比。

图12 优化结果与原始结果对比— 应变

图13表示出了原始结果位移分布情况与优化结果位移分布情况的对比。

图13 优化结果与原始结果对比— 位移

优化后的参数值如下表：

表2 优化结果

经过优化后，卡扣的重量从11.9g减小到10.6g,卡扣端部的位移可以达到1.55mm,而最大应变只有0.046。从应力、应变图上我们也可以看出应力、应变的分布比优化前也更加均匀。

计算机辅助技术已经成为现代设计方法的主要手段和工具，而其中的CAE技术又成为现代设计流程的核心。基于CAE的优化设计不仅为设计者减少了大量的优化迭代时间，而且使优化后的产品结构更加合理，显著地提高了设计的质量和效率。