CAD/CAE結(jié)構(gòu)模型分析

2013-06-20  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-www.br5w05v.cn  來(lái)源:仿真在線

針對(duì)目前電子設(shè)備結(jié)構(gòu)CAE建模的現(xiàn)狀,本文研究了電子設(shè)備CAD/CAE模型的轉(zhuǎn)換技術(shù),開發(fā)了電子設(shè)備結(jié)構(gòu)綜合設(shè)計(jì)平臺(tái)CAE模型的轉(zhuǎn)換與分析軟件系統(tǒng)‘通過(guò)對(duì)整機(jī)振動(dòng)分析驗(yàn)證了處理方法的正確性及軟件系統(tǒng)的有效性。與一般的有限元軟件相比,在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)CAE模型的快速建立、修改和振動(dòng)分析等方面有突出的特點(diǎn)。

20世紀(jì)中葉,無(wú)線電電子技術(shù)得到迅速發(fā)展,電子設(shè)備機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)開始引起世界各國(guó)關(guān)注,隨著電子技術(shù)使用范圍的推廣,設(shè)備的功能、體積、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性以及各種環(huán)境的適應(yīng)性等諸多問(wèn)題被納入機(jī)構(gòu)實(shí)際的范疇,使電子設(shè)備機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)逐漸形成一門多學(xué)科的綜合技術(shù),20世紀(jì)中后期,伴隨著固體電路、集成電路、大規(guī)模集成電路的相繼出現(xiàn),電子設(shè)備開始向小型、超小型、微型組裝方向發(fā)展。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的些傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法逐步被機(jī)電結(jié)合、光電結(jié)合等新科學(xué)技術(shù)所代替,尤其是超大規(guī)模集成電路及其衍生的各種模塊的出現(xiàn),使許多曾被認(rèn)為不可逾越的純機(jī)械技術(shù)和工藝失去意義,同時(shí)也給電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)實(shí)際注入新的內(nèi)容,現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法也面臨新的變革。
   
現(xiàn)階段通常運(yùn)用各種通用商業(yè)CAD/CAE軟件對(duì)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行一些分析設(shè)計(jì)。但通用軟件不是專為電子設(shè)備設(shè)計(jì)而開發(fā)的,缺乏大量支撐數(shù)據(jù)和專用接口,而目這些軟件在使用過(guò)程中煩瑣、復(fù)雜,尤其是CAD/CAE模型轉(zhuǎn)換困難。因此,目前的方法不能從根本上解決實(shí)際問(wèn)題,很難達(dá)到對(duì)設(shè)計(jì)水平的提高,也不能在設(shè)計(jì)階段有效的消除缺陷與方案上的不足?，F(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路和方法越來(lái)越不適應(yīng)新形勢(shì)對(duì)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出的要求。

2.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)CAD/CAE模型轉(zhuǎn)換技術(shù)

    圖2-1 機(jī)箱的建模設(shè)計(jì)方案

    2 .1電子設(shè)備結(jié)構(gòu)CAE建模設(shè)計(jì)方案
     
電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)CAE建模系統(tǒng)是在ANSYS的基礎(chǔ)上開發(fā)CAD/CAE模型的集成接口,應(yīng)用此模塊可以將UG軟件建立的CAD模型快速導(dǎo)入到八NSYS中,快速生成有限元網(wǎng)絡(luò)模型。以機(jī)箱為例流程如圖2-1。

    2.2電子設(shè)備結(jié)構(gòu)CAE建模系統(tǒng)平臺(tái)的選擇
   
根據(jù)“電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)支撐軟件平臺(tái)系統(tǒng)”劉數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方而的要求主要有:網(wǎng)絡(luò)化、大數(shù)據(jù)容量、安全性、可靠性、確定SQL Server為數(shù)據(jù)管理軟件。

開發(fā)工具選用c++Builder,可以快速地產(chǎn)生程序的GUI layout和prototype,在后續(xù)調(diào)整程序界面的調(diào)整周期中也非常方便,而且c++Builder完全可以滿足電子設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)支撐軟件平臺(tái)系統(tǒng)的開發(fā)功能,可以顯著降低開發(fā)成本、提高系統(tǒng)的開發(fā)效率。
   
有限元軟件選用ANSYS軟件為有限元分析下具來(lái)開發(fā)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)綜合平臺(tái)CAE模型的導(dǎo)入、處理與分析系統(tǒng)。

    2 .3電子設(shè)備結(jié)構(gòu)CAE建模要求
   
模型簡(jiǎn)化:模型簡(jiǎn)化應(yīng)當(dāng)考慮以下兩個(gè)原則。模型的正確可靠性;模型計(jì)算成本的經(jīng)濟(jì)性。
   
邊界條件和載荷的正確施加:邊界條件包括整個(gè)結(jié)構(gòu)位移條件及單元間的邊界與連接條件應(yīng)當(dāng)正確施加;載荷的施加應(yīng)盡可能保持準(zhǔn)確和等價(jià)性,必要的時(shí)候,應(yīng)當(dāng)對(duì)局部進(jìn)行重新分析。
   
有限元網(wǎng)絡(luò)劃分要滿足以下要求:合法性、相齊性、逼近精確性、良好的單元形狀、良好的劃分過(guò)度性、網(wǎng)絡(luò)劃分的自適應(yīng)性。

單元選取要滿足以下幾個(gè)方面:網(wǎng)絡(luò)劃分時(shí),就整體而言,單元大小要根據(jù)工程上的精度和要求和所用的計(jì)算機(jī)速度和容量決定;根據(jù)部位的重要性以及應(yīng)力、位移變化是否劇烈,確定不同部位網(wǎng)絡(luò)的硫密。重要部位和應(yīng)力跟位移變化很大的部位單元尺寸要小;若計(jì)算對(duì)象尺寸有突變或材料性質(zhì)有突變時(shí)除了應(yīng)將這些區(qū)域的單元尺寸劃分的較小外,還應(yīng)將突變線(面)作為單元的分界線(面);若計(jì)算對(duì)象受有突變的分布載荷或集中載荷作用時(shí),應(yīng)把這種部位的單元取小一些,片在突變處和應(yīng)力集中處布置單元節(jié)點(diǎn):單元形狀的好壞對(duì)精度影響也很大。一般盡可能讓每個(gè)單元邊長(zhǎng)相似,各個(gè)角度不能太尖;特殊問(wèn)題特殊考慮。如結(jié)構(gòu)力學(xué)分析時(shí)為體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)并使計(jì)算下作量不至于過(guò)大,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的布置應(yīng)當(dāng)能體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特征為基本原則。

    2.4電子設(shè)備結(jié)構(gòu)CAD/CAE模型轉(zhuǎn)換
     
電子設(shè)備的CAD模型轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)信息后,利用C++Builder編制的接口程序,讀取這些數(shù)據(jù)生成APDL程序語(yǔ)言,在此過(guò)程中自動(dòng)處理邊界約束條件和載荷、賦予組件相關(guān)的單元種類,然后在有限元軟件ANSYS中打開模型。在以機(jī)架和線路板為例,CAD/CAE模型的轉(zhuǎn)換如下:

線路板CAD/CAE模型轉(zhuǎn)換:
   
    (1)從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取線路板
   
線路板在數(shù)據(jù)表的形式同六面體,因?yàn)榫€路板的長(zhǎng)、寬大于它的厚度,根據(jù)有限元理論在ANSYS中應(yīng)為殼單元,選取SHELL63單元。它的厚度在生成APDL語(yǔ)句的開始時(shí)被賦予,也可以由宏的方式給出。
   
    (2)生成ANSYS可執(zhí)行的APDL語(yǔ)言
   
    (3)在ANSYS中打開該文件生成線路板模型

3.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)有限元分析

    3 .1電子設(shè)備結(jié)構(gòu)有限元分析特點(diǎn)
   
    (1)電子設(shè)備的CAE模型快速建立和修改
     
電子設(shè)備結(jié)構(gòu)綜合設(shè)計(jì)平臺(tái)CAE模型的轉(zhuǎn)換與分析系統(tǒng)已把組件歸類好,用到哪個(gè)組件就輸入合適的參數(shù),它所附帶的約束關(guān)系、網(wǎng)絡(luò)劃分等都已解決,對(duì)于有很多組件的電了設(shè)備,CAE的快速建模這個(gè)優(yōu)點(diǎn)尤其明顯。
     
電子設(shè)備結(jié)構(gòu)綜合設(shè)計(jì)平臺(tái)CAE模型的轉(zhuǎn)換與分析系統(tǒng)只需要修改CAE模型,然后再重新讀取數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù),就能生成新的有限元模型,相關(guān)的邊界約束條件和載荷、網(wǎng)絡(luò)劃分等間題都會(huì)自動(dòng)解決,方便快捷,因而節(jié)省了大量設(shè)計(jì)時(shí)間,縮短了設(shè)計(jì)周期。
   
    (2)各種振動(dòng)分析的模塊化
     
電子設(shè)備常做振動(dòng)分析,在ANSYS中求解時(shí)過(guò)程非常煩瑣,而且步驟也多,容易出錯(cuò)。電子設(shè)備綜合設(shè)計(jì)平臺(tái)CAE模型轉(zhuǎn)換與分析系統(tǒng)中對(duì)振動(dòng)分析模塊化,減少了操作步驟,提高了效率振動(dòng)分析模塊化如圖3-1.

    圖3-1 模態(tài)分析操作界面

    3 .2電子設(shè)備結(jié)構(gòu)有限元分析
     
    以屏蔽盒機(jī)箱為例振動(dòng)分析步驟如下:
   
(1)在uG軟件中建立整機(jī)的CAD模型;
   
(2)利用前邊介紹的建立CAE模型、模型如圖3-2:
   
(3)選取分析類型:在分析界面上,根據(jù)需要選擇模態(tài)分析、瞬態(tài)分析、隨機(jī)振動(dòng)分析。這里選模態(tài)分析以模態(tài)分析為例。如圖3-2。

    (4)填寫所需分析項(xiàng)目,確定后這些信息就會(huì)被寫人數(shù)據(jù)庫(kù)中,產(chǎn)生APDL程序文件,調(diào)用相應(yīng)的宏文件,進(jìn)行相關(guān)分析。

圖3-2整機(jī)模型

    提取整機(jī)前5階固有頻率如表1。
   
屏蔽盒動(dòng)態(tài)特性如下:一階模態(tài)振型是整機(jī)在x方向的振動(dòng);二階模態(tài)振型是整機(jī)在Y方向的振動(dòng);三階模態(tài)振型是整機(jī)在Z方向的振動(dòng):四階模態(tài)振型是整機(jī)在XY平面內(nèi)的扭擺;五階模態(tài)振型是整機(jī)在YZ平面內(nèi)的扭擺。

    表1 前5階固有頻率

4.結(jié)論
   
通過(guò)對(duì)計(jì)算一結(jié)果的分析,驗(yàn)證了處理方法的正確性及軟件系統(tǒng)的有效性,而且所開發(fā)的軟什系統(tǒng)與一般的有限元軟件相比,在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)CAE模型的快速建立、修改和振動(dòng)分析等方而有突出的特點(diǎn)。

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