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 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，结构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：以一个蓝牙天线为例，选取的金属为洋白铜（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Young's 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) Step5 Step5: 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。 Step6 Step6: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，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                 10    Spring_Width               0.6    Spring1                    4.2 Goal: -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）。我们后续可以改变加载力的大小，如我第一页所说的，我们的要求是0.784-1.96N，那么就可以分别计算两个极值的载荷情况下，不同弹片尺寸所能达到的最大变形量。 bills问：你的分析是错误的，这是典型的接触分析，端子和PCB在理论上来讲是线和面的接触，需要将ＰＣＢ定义成刚体，端子是弹性体，不能将载荷加在端子的整个面上。