主要看點

 行業:電子

 挑戰:如何利用有限元分析實現穩健的設計? 

 Altair 解決方案:利用Altair OptiStruct 進行拓撲和形狀優化,以優化智能手機前後殼的設計

 優點 :設計剛度增加,應力減少

 

 

挑戰

 

移動設備行業競爭激烈,各家公司需要不斷突破硬體設計的界限。 隨著設計週期縮短和成本利潤縮小,人們越來越重視使用電腦模擬進行虛擬測試。傳統上,設計師會在修改方案後使用有限元分析(FEA)反復進行設計驗證,直到達到可行的設計解決方案。 然而,考慮到手動探索整個設計空間的限制,所獲得的解決方案並不總是最佳的。 

 

 

在早期架構定義時,拓撲優化對設備最終設計結果是否具有魯棒性具有重要影響。Altair OptiStruct 允許定義某些設計/製造約束,但有一些方面,例如加強筋的對齊無法實現。在這種情況下,優化設計可以作為初始參考,引導設計人員採用更加穩健的設計。我要感謝 Altair 公司對該專案的執行給予的廣泛支持。

—— Gaurav Gupta 

三星班加羅爾高級總工程師 

 

 

解決方案

 

Altair OptiStruct 軟體的形狀和拓撲優化功能幫助獲取智慧手機前後殼的詳細設計。

為了展示優化過程,這裡使用了如圖 1 所示的典型三星智能手機。這款手機採用塑膠模壓鎂合金壓鑄前殼和聚碳酸酯後殼。鏡頭顯示模組粘附在前殼上。PCB 和電池裝配在後殼體上,後殼體擰到前殼體上。 

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圖1 典型三星智能手機的部分分解圖 

 

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圖2 優化過程流程 

 

機械可靠性測試 

 

確定移動設備可靠性的關鍵測試之一是跌落測試。表面貼裝封裝的顯示玻璃應變和 PCB 應變是兩個高風險區域。外殼設計中的弱點通常反映在這些部件的跌落性能上。本研究的目的是使用優化技術解決這些缺點。該裝置從各種方向掉落,並且通過模擬監測內部部件的變形。已經觀察到手機的跌落可靠性與其剛度相關;剛度越高,其可靠性越高。

前後殼體承受準靜態三點彎曲和扭轉載荷
測試類型 應用載荷 目的
三點彎曲 施加在殼體中心的30N力,約束頂部和底部螺絲 最小化零件在受到實際載荷下的柔度(或總應變能)。
加權柔度公式用於在單個目標函數中組合兩個載荷工況輸出
扭轉測試 在連接頂部螺絲頭部的參考節點處施家500Nm力矩,約束底部螺絲

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圖3 優化問題的準靜態測試事例 

 

 

 

 

拓撲和形狀優化的設計空間
拓撲優化設計空間 限制
圖4(a)後殼體藍色區域 加強筋的最小和最大厚度。外殼質量與基線設計相同
形狀優化變量 目的
圖4(b)前殼17的設計變量-加強筋的x,y位置,加強筋的厚度和殼體底板 最大化外殼的剛度

 

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圖4 (a)用於拓撲優化的後殼體幾何形狀 

 

 

(b)具有形狀優化變量的前殼幾何形狀 

 

 

結論

 

與通常需要 7 小時運行的單次跌落類比相比,基於准靜態負載的優化只要 30 分鐘就能運行。 

拓撲優化 結果
圖5(a)比較了後殼體的拓撲優化設計和基線設計。 優化的設計具有非常不同的加強筋排列,剛度明顯更高(彎曲40%,扭轉74%)。在跌落模擬中,PCB應變減少了20%
形狀優化變量 目的
圖5(b)表示形狀優化的前殼體的z空間變化 優化設計比基線設計重1.6克(10%),但彎曲和扭轉分別增強了65%和85%。在沒有額外的重量時,優化設計剛度,則增強了30%。在跌落測試中想是模塊的應變減少了45%。
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图 5(a)OptiStruct 的後殼基線設計和優化設計的比較

(b)優化前殼設計形狀沿 z 方向變化

 

 

客户介紹 

 

印度三星研發中心 - 班加羅爾(SRI-B)是三星電子在韓國以外最大的研發中心。

他們擁有 3000 多名工程師,跨越不同的研究領域專案、產品、客戶、種族和國家,並在新興技術領域開展研究。移動部門是 SRI-B 最初建立的研發部門之一。

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