CAE结构仿真分析及技术培训
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F
E U/L
有限元方法基本概念
A1 A2 A3
F
u0 u1
u2
u3
u
u0 0
u3
u1 u0 E A1 u2 u1 E A2
l1
l2
4个未知量
u2
u2 u1 E A2 u3 u2 E A3 4个方程
l2
l3
唯一解
u0 u1
u3 u2 E A3 F
x
l3
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
有（建
元格
条
模
建 模
模 型 ）
件 施
加
前处理
求
结
解
果
显
示
后处理
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”
1
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：
2
其中第一项为齐次通解，即阻尼振动成分，其“圆频率”为：
3
当阻尼系数β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：
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
• 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/A
位移：
UF L AE
U F
F：力 A：截面积 E：模量 L：长度 U=？
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Fcosωt，不妨令h=F/m，则系统的受迫振动方程可为：
第三步：一角、三棱、六面的跌落仿真
该处发生塌陷
物理试验结果
该处发生塌陷
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
1. 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
2. 支撑架距离前板距离近则支撑效果好 3. 在前板局部增加L型固定架也可以有
效改善底板的变形
增加U型支架
该处增加L型固定板
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。
4
代入方程（1）可以确定其振幅和相位差：
5 6
由式（5）可以看出，当外加驱动力的圆频率ω等于系统的固有圆频率ω0时，系统振子的位移振幅A有极大值：
7
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π/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。
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
应力
应变
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
带包装的跌落：
跌落测试方向：一角三棱六面+两种特殊情况
最易碎的角
最短边
中长边
最长边
最小面之一
最小面之二 中等面之一 中等面之二 最大面之一 最大面之二
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；
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。
(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。
第一步：建立CAE模型
第二步：确定材料和约束关系
• 初始速度：v0 2gh 3457.8mm/ s
• 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
(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。
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
应力
弹性模量 (EX)
应变
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
Thank you!!
42
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；
应力(MPa)
5 4.5
4 3.5
3 2.5
2 1.5
1 0.5
0 0
0.5
1
1.5
2
应变
橡胶的应力-应变曲线
塑料的应力-应变曲线
60°_uniaxial 60°_biaxial 80°_unixial 80°_biaxial
2.5
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、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；
12” ×12” ×12” 21lbs
扁平产品包装
长条产品包装
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
对产品的包装总是存在包装不足或过包装的问题 不同产品或者相同产品的不同型号所针对的包装选择很盲目
E U/L
有限元方法基本概念
A1 A2 A3
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u0 u1
u2
u3
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u0 0
u3
u1 u0 E A1 u2 u1 E A2
l1
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4个未知量
u2
u2 u1 E A2 u3 u2 E A3 4个方程
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唯一解
u0 u1
u3 u2 E A3 F
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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
有（建
元格
条
模
建 模
模 型 ）
件 施
加
前处理
求
结
解
果
显
示
后处理
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”
1
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：
2
其中第一项为齐次通解，即阻尼振动成分，其“圆频率”为：
3
当阻尼系数β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：
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
• 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/A
位移：
UF L AE
U F
F：力 A：截面积 E：模量 L：长度 U=？
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Fcosωt，不妨令h=F/m，则系统的受迫振动方程可为：
第三步：一角、三棱、六面的跌落仿真
该处发生塌陷
物理试验结果
该处发生塌陷
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
1. 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
2. 支撑架距离前板距离近则支撑效果好 3. 在前板局部增加L型固定架也可以有
效改善底板的变形
增加U型支架
该处增加L型固定板
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。
4
代入方程（1）可以确定其振幅和相位差：
5 6
由式（5）可以看出，当外加驱动力的圆频率ω等于系统的固有圆频率ω0时，系统振子的位移振幅A有极大值：
7
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π/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。
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
应力
应变
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
带包装的跌落：
跌落测试方向：一角三棱六面+两种特殊情况
最易碎的角
最短边
中长边
最长边
最小面之一
最小面之二 中等面之一 中等面之二 最大面之一 最大面之二
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；
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。
(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。
第一步：建立CAE模型
第二步：确定材料和约束关系
• 初始速度：v0 2gh 3457.8mm/ s
• 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
(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。
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
应力
弹性模量 (EX)
应变
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
Thank you!!
42
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；
应力(MPa)
5 4.5
4 3.5
3 2.5
2 1.5
1 0.5
0 0
0.5
1
1.5
2
应变
橡胶的应力-应变曲线
塑料的应力-应变曲线
60°_uniaxial 60°_biaxial 80°_unixial 80°_biaxial
2.5
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、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；
12” ×12” ×12” 21lbs
扁平产品包装
长条产品包装
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
对产品的包装总是存在包装不足或过包装的问题 不同产品或者相同产品的不同型号所针对的包装选择很盲目