“CAE融入設計全過程”的觀點得到世界上許多著名公司的廣泛認可。在手機設計流程中，CAE分析是銜接模型設計和模具加工的重要環節，也是提高設計質量和設計效率，縮短產品開發時間的關鍵。本文利用美國PTC技術公司無縫集成軟件Pro/ENGINEER Wildfire結構分析模塊對手機殼體卡配連接結構進行有限元分析，提高優化設計的效率和產品設計的可靠性。

基本材料與簡化

由于手機應用的特殊性，對材料性能要求較高，在設計中主要考慮選用工程塑料。根據產品的要求，課題選用PC和PC/ABS兩種材料作為研究對象，具體型號如下：

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

手機主要連接結構為卡配結構，卡配結構可簡化為懸臂梁形式，簡化模型如下圖所示：

圖1 矩形截面單向或雙向錐形懸臂梁的邊界條件

圖中L表示元件長度，b端部表示端部最小寬度，h根部表示根部最大高度，h端部表示端部最小高度，P表示扣緊力，F表示裝配裝入力。

軟件

Pro/MECHANICA是美國PTC公司開發的有限元軟件。該軟件可以實現和Pro/ENGINEER的完全無縫集成，不會造成由于模型數據接口不同而產生的數據丟失及耗時耗力的幾何模型修補工作。

在Pro/MECHANICA中，特定用戶定義的一個或一系列需要解決的問題被稱為設計研究，主要有三種類型：

標準分析：最基本、最簡單的設計研究類型，至少包括一個分析任務。在此設計研究中，用戶需要指定幾何模型、劃分有限元網格、定義材料、定義載荷和約束、定義分析類型和計算收斂方法、計算并顯示結果。

靈敏度分析：靈敏度分析是優化設計的鋪墊。建模時，眾多的設計參數對模型性能影響程度是不同的，靈敏度分析可以定量地表示這種影響程度，確定哪些是重要的設計參數，并為這些重要設計參數確定優化設計的變化范圍。

優化設計分析：在基本標準分析的基礎上，用戶指定研究目標、約束條件（包括幾何約束和物性約束）、設計參數，然后在參數的給定范圍內求解出滿足研究目標和約束條件的最佳方案。

因此，Pro/MECHANICA 能完成的任務可以分成兩大類。第一類可以稱之為設計驗證，或者設計校核；第二類稱之為模型的設計優化。

設計驗證步驟如下：

1) 創建幾何模型和簡化模型；
2) 設定單位和材料屬性；
3) 定義約束、載荷和分析任務；
4) 運行分析；
5) 顯示、評價計算結果。

設計優化的步驟如下：

1) 創建幾何模型和簡化模型；
2) 設定單位和材料屬性；
3) 定義約束、載荷和設計參數；
4) 運行靈敏度分析和優化分析；
5) 根據優化結果改變模型。

本課題采用Pro/MECHANICA作為分析優化工具，首先將手機主要連接結構（卡扣）簡化為懸壁梁，然后通過Pro/MECHANICA設計驗證和設計優化功能優化連接結構的設計參數。

基于CAE的卡扣設計驗證

根據手機卡扣的結構特點和幾何尺寸，將連接上下殼體卡扣結構簡化成懸臂梁結構，建立的有限元分析模型如下圖：

圖2 初始有限元分析模型

圖中，梁端部加P=6.3N水平均布載荷，梁底部墻體加全約束。分析選擇的材料性能參照GE LEXAN EXL1414性能。根據上述約束條件進行手機卡扣設計驗證分析，分析結果如左圖示：

圖3表示在水平均布載荷P作用下梁變形的位移圖，變化范圍為0到0.89毫米。

圖3 設計驗證分析結果－梁變形的位移圖

圖4表示在水平均布載荷P作用下梁變形的應力圖，變化范圍為0到1.34 N/mm2。

圖4 設計驗證分析結果－梁變形的應力圖

圖5表示在水平均布載荷P作用下梁變形的應變圖，變化范圍為0到0.028。

圖5 設計驗證分析結果－梁變形的應變圖

圖6表示在水平均布載荷P作用下梁變形的受力分布圖。

圖6 設計驗證分析結果－梁變形的受力分布圖

從標準有限元分析結果可以得到梁在6.3N力作用下，最大位移為0.89mm。最大應變發生在梁的跟部，值為0.028。最大應力發生在裝配力的作用處，值為88.2Mpa。結果與手工計算較符合。

基于CAE的卡扣結構優化

基于CAE的卡扣結構優化首先要簡化模型，然后對簡化的卡扣參數進行靈敏度分析，確定影響卡扣結構性能的重要參數，最后利用確定的重要參數對卡扣結構進行優化。

卡扣優化的目標：質量最小；
卡扣優化的約束：許用應變ε＜0.042；
卡扣優化的目的：通過對設計參數的靈敏度分析，確定影響模型性能的主要設計參數，從而優化主要設計參數，達到設計目標。

卡扣模型簡化

根據手機卡扣實際設計尺寸和結構特徵將卡扣結構簡化為懸臂梁結構，簡化模型如左下圖所示：

圖7 卡扣簡化模型

圖7中，梁端部加P=6.3N水平均布載荷，梁底部墻體加全約束。分析選擇的材料性能參照GE LEXAN EXL1414性能。主要的設計參數有梁的厚度h，梁的寬度b，梁的搭接尺寸DIM A和DIM B，梁的錐度ANG A等。

靈敏度分析

基于以上條件，對卡扣參數進行靈敏度分析。靈敏度分析包括局部靈敏度分析和全局靈敏度分析。

局部靈敏度分析的目的是確定主要參數對模型性能的影響程度。在此選擇梁的厚度h、寬度b、搭接尺寸DIM A和DIM B，梁的錐度ANG A。各尺寸的變化范圍如表1示。

表1 卡扣靈敏度分析參數變化范圍

根據梁的約束條件、材料特性建立卡扣局部靈敏度分析，并將各參數變化范圍輸入分析模型進行分析。分析結果表明，對應變影響較大的參數為h、b和ANG A，所以定這三個參數為全局靈敏度分析參數。

全局靈敏度分析的模型、材料特性及約束條件與局部靈敏度分析時相同，將局部靈敏度分析中確定的三個參數作為全局靈敏度分析的變量，建立卡扣的全局靈敏度分析，分析結果表明：

梁的厚度對應變影響程度最大；
梁的錐度對應變起反向影響，錐度越大，應變越小。這是因為錐度使梁的厚度減小。

優化設計分析

優化設計是由用戶指定研究目標、約束條件（包括幾何約束和物性約束）、設計參數，然后在參數的給定范圍內求解出滿足研究目標和約束條件的最佳方案。

優化目標：質量最小
優化約束：最大應變小于0.042
優化參數：梁的寬度b，厚度h和梁的錐度ANG A

梁端部加P=6.3N水平均布載荷，梁底部墻體加全約束。分析選擇的材料性能參照GE LEXAN EXL1414性能，分析迭代次數設為20次。根據上述條件進行手機卡扣優化分析，分析結果如圖示：

圖8 優化歷史

圖8中，橫坐標表示優化的路徑，縱坐標表示優化過程中模型質量的變化情況。從圖中可以看出，在給定的約束條件（包括幾何約束和物性約束）下，模型質量經三次迭代后達到最佳組合。

圖9表示優化后模型的應力分布情況。

圖9 優化結果— 應力

圖10表示優化后模型的應變分布情況。

圖10優化結果— 應變

圖11表示優化后模型的位移分布情況。

圖11優化結果— 位移

圖12表示出了原始結果應變分布情況與優化結果應變分布情況的對比。

圖12 優化結果與原始結果對比— 應變

圖13表示出了原始結果位移分布情況與優化結果位移分布情況的對比。

圖13 優化結果與原始結果對比— 位移

優化后的參數值如下表：

表2 優化結果

經過優化后，卡扣的重量從11.9g減小到10.6g,卡扣端部的位移可以達到1.55mm,而最大應變只有0.046。從應力、應變圖上我們也可以看出應力、應變的分布比優化前也更加均勻。

計算機輔助技術已經成為現代設計方法的主要手段和工具，而其中的CAE技術又成為現代設計流程的核心。基于CAE的優化設計不僅為設計者減少了大量的優化迭代時間，而且使優化后的產品結構更加合理，顯著地提高了設計的質量和效率。