利用mechanica模块辅助设计手机的pifa

利用 Mechanica 模块辅助设计手机的 PIFA/蓝牙天线金属片 wsily 忠实会员问题来源：手机的各种结构件都有相应的设计标准，结构工程师的设计都需满足标准才可生产。其中，PIFA 天线（或者其他天线，如蓝牙等）的金属弹片需要以一定的压紧力接触到 PCB 板上的PAD 位置，一般要求这个压力为 1N 左右( 太大则容易造成焊盘容易磨损，太小则会产生天线连接不良的毛病) ，本例要求为 80-200g 力的范围（某大公司设计标准） ，即 0.784-1.96N。目的：使用 ProE 建立一套方法，用于考查不同的天线材质和结构形式，在工作状态下对应弹片接触 PCB 的不同压紧力。此法用于辅助设计天线弹片，以满足设计要求。基本流程：以一个蓝牙天线为例，选取的金属材料为洋白铜（您也可以选取其他金属材料进行考查，比如不锈钢） ，不断调整试算不同的弹片尺寸（即姿态，本例用 P1，P2 。表示）在施加一定载荷后（本例以 0.8N 开始试算）计算弹片的压缩变形量，然后反推设计所需的变形（本例设定 Y方向的变形量为 1mm）对应的载荷量，以确认该弹片形状是否满足要求。Step1:用 ProE 建立钣金模型（金属片上表面高度已经固定，但是弹片的姿态可以自由设计） ，并按照硬件部门的相应要求固定画好两个 PAD 位置，弹片触点要正好位于 PAD 中心（工作状态的位置） 。 （如下图所示）弹片用 Flange 功能实现，其轮廓线草图如下。弹片的长度尺寸（图中的 1.5 和 5.49mm 都要固定住，记住 4.91mm 这个尺寸，它是用于保证弹片在工作状态下位于 PAD 中心，弹片的高度5.13 在后续步骤中用于调整弹片的不同姿态） 然后把 5.13 改成 6.13，意思是让弹片回到自然状态，并且设定弹片 Y 向的行程距离为1mm（这个 1mm 是经验得来的，我们一般认为弹片行程 1mm 比较好，当然也不一定是这个值，0.8mm 也行） 。 Step2:Step2:进入 ProE 的 Mechanica 模块，选用 CuNi18Zn20 材料（ProE 没有这个材料，我是新建的材料，所有的特性数值是查资料得来的） ，各个材料特性的数值如下图。然后设置上板固定约束，在触点位置施加 0.8N 的力（这个力的大小可以在前提所说的 0.784-1.96N 之间选择一个就行，后面就知道为什么了）Step3:Step3:好了，开始计算了，求解过程很简单，我只关心 Y 和 X 方向的最大变形量，如下图所示。将结果提取出来，填入表中( 第一行数据) ，并将此时弹片的尺寸定义为 P1 状态。 （表中 Youngs modulus 杨氏模量是衡量弹片的弹性和抗拉/弯性能的重要参数，实际设计中要向材料供应商咨询）由于在小变形情况下（弹簧的弹性限度内） ，变形和载荷是成正比的，所以可以推算出 Y 向 1mm的变形所需的载荷为 2.664N（表中第二行） 。我们再验算一下，如果在 ProE 中施加 2.664N 的载荷，Y 向变形的确是 1mm，我上面说得没错（表中第三行） 。从表中结果可以看出，如果要产生Y 向 1mm 变形量，需要 2.664N 的载荷，没有满足我们的设计要求。Step4:Step4:既然以弹片目前的形状，变形量 1mm 所需的压力为 2.644N，超出了我们先前规定的 0.784-1.96N，那么我们就需要调整弹片的形状了，目的是让弹片再“ 软”一些。我先试着把 1.85mm 改成 1.5mm，注意，为了保持弹片位于 PAD 中央（即 4.91mm 不变） ，我需要更改 5.3mm 为 5.49mm（此状态定义为 P2） ，好了，别忘了然后把弹片恢复成自然状态，进行试算。结果如下表，发现 0.8N 载荷下，变形更小了，说明我们的试算方向搞反了。 图片附件: P2 s8.JPG (2006-11-15 16:03, 27.91 K)Step5Step5:好了，我们调整一下修改尺寸的方向，把原来的 1.85 依次修改成 3mm（P3 状态）和 4mm（P4状态） ，相应的 5.3 修改成 4.79 和 4.55mm，得到的计算结果如下表，可以看出，在 P4 状态，Y向变形 1mm 所需的载荷为 1.58N，已经满足我们的要求了。 Step6Step6:我还有点儿不满意，想寻求其他的尺寸改变来控制弹片的“ 软硬度”。比如，将单个弹片的宽度由 1.2 改成 1.1mm（P5 状态） ；将两个弹片之间的切口加长（将原来的 7mm 改成 9mm，定义为 P6 状态） ，分别计算得到的结果填入表中，可以看出，同样可以达到将弹片变软的目的， Y 向变形 1mm 所需的载荷分别为 1.5 和 1.3N，更接近标准要求的中间值。当然我们可以按照这种趋势再来更改这些尺寸，达到“ 完美的” 设计要求。总结：好了，写了这么多，走了这么一套“繁琐” 的程序，就是要确认，我们所设计的天线金属弹片，满足我们最终的设计要求，而不要在供应商生产出来以后通不过载荷测试再来找我们进行设计变更，或者我们强硬的要求供应商自己解决这个看似是他们应该来解决的问题（我以前工作的公司就是这么做的） 。当然，我举这个例子只是为了让我们大家一起来学习，用 ProE 能帮助我们完成更多更好的工作，原理很简单，写得很罗索，抛砖引玉吧，希望大家不要笑话我啊优化方法来解决上述问题在鱼斑竹的提示下，我开始研究用 Mechanica 的优化方法来解决这个问题，避免繁琐的试算过程。基本思想和要素：优化目标 Goal：求得在指定的载荷下，弹片弯折所能达到的 Y 向最大位移量Max_disp_Y。设计约束 Design Constraints：无设计变量 Design Variables：本例有三个-1.两个弹簧片之间切口的长度 Slot_Length; 2.单个弹簧片的宽度 Spring_width; 3.弹簧片竖直部分（根部）的长度（而弹簧片伸展部分的臂长由它来确定，后面会讲到）Spring1在模型中用 Flange 生成的弹片尺寸，草绘时需要定义一个 relation 约束，如下图所示。简单的勾股定理利用弹片根部长度来约束弹片臂的长度，注意图中的 4.91 这个尺寸是用来约束弹片必须位于 PAD 中心位置的。 好了，现在可以定义那三个变量了。进入 Mechanica 模块，Analysis-Mechanical design controls-design params(我用的是野火 2.0)，分别定义三个变量的名称和最大最小值（这个一定要合理，否则计算会出错的） 好了，先计算单步的静力分析，然后再运行优化分析。图中第三个敏感度分析也很有趣，大家不妨也玩玩（它可以帮助我们预见变量如何发展才有可能得到最优值） ，这里就不作介绍了。最后三步就算出优化结果来了，即：Best Design Found:Parameters:Slot_Length 10Spring_Width 0.6Spring1 4.2Goal: -1.2862e+00这个结果的意义是：在弹片末端施加 0.8N 的压力后，两弹片间隙长度 10mm（我设置的变量范围是 7-10） ，弹片宽度 0.6mm（范围 0.6-1.2） ，弹片根部长度 4.2mm（范围 1.5-4.2）时，可以得到（绝对值）最大的 Y 向变形量 1.28mm 左右（超出了我所需要的 1mm，满足要求）