利用Mechanica模塊輔助設計手機的PIFA

1、利用Mechanica模塊輔助設計手機的PIFA/藍牙天線金屬片 wsily 忠實會員問題來源：手機的各種結構件都有相應的設計標準，結構工程師的設計都需滿足標準才可生產。其中，PIFA天線（或者其他天線，如藍牙等）的金屬彈片需要以一定的壓緊力接觸到PCB板上的PAD位置，一般要求這個壓力為1N左右(太大則容易造成焊盤容易磨損，太小則會產生天線連接不良的毛病)，本例要求為80-200g力的范圍（某大公司設計標準），即0.784-1.96N。目的：使用ProE建立一套方法，用于考查不同的天線材質和結構形式，在工作狀態(tài)下對應彈片接觸PCB的不同壓緊力。此法用于輔助設計天線彈片，以滿足設計要求?；玖?/p>

2、程：以一個藍牙天線為例，選取的金屬材料為洋白銅（您也可以選取其他金屬材料進行考查，比如不銹鋼），不斷調整試算不同的彈片尺寸（即姿態(tài)，本例用P1，P2。表示）在施加一定載荷后（本例以0.8N開始試算）計算彈片的壓縮變形量，然后反推設計所需的變形（本例設定Y方向的變形量為1mm）對應的載荷量，以確認該彈片形狀是否滿足要求。Step1:用ProE建立鈑金模型（金屬片上表面高度已經固定，但是彈片的姿態(tài)可以自由設計），并按照硬件部門的相應要求固定畫好兩個PAD位置，彈片觸點要正好位于PAD中心（工作狀態(tài)的位置）。（如下圖所示）彈片用Flange功能實現(xiàn)，其輪廓線草圖如下。彈片的長度尺寸（圖中的1.5和5

3、.49mm都要固定住，記住4.91mm這個尺寸，它是用于保證彈片在工作狀態(tài)下位于PAD中心，彈片的高度5.13在后續(xù)步驟中用于調整彈片的不同姿態(tài)） 然后把5.13改成6.13，意思是讓彈片回到自然狀態(tài)，并且設定彈片Y向的行程距離為1mm（這個1mm是經驗得來的，我們一般認為彈片行程1mm比較好，當然也不一定是這個值，0.8mm也行）。 Step2:Step2:進入ProE的Mechanica模塊，選用CuNi18Zn20材料（ProE沒有這個材料，我是新建的材料，所有的特性數(shù)值是查資料得來的），各個材料特性的數(shù)值如下圖。然后設置上板固定約束，在觸點位置施加0.8N的力（這個力的大小可以在前提所

4、說的0.784-1.96N之間選擇一個就行，后面就知道為什么了）Step3:Step3:好了，開始計算了，求解過程很簡單，我只關心Y和X方向的最大變形量，如下圖所示。將結果提取出來，填入表中(第一行數(shù)據(jù))，并將此時彈片的尺寸定義為P1狀態(tài)。（表中Young's modulus楊氏模量是衡量彈片的彈性和抗拉/彎性能的重要參數(shù)，實際設計中要向材料供應商咨詢）由于在小變形情況下（彈簧的彈性限度內），變形和載荷是成正比的，所以可以推算出Y向1mm的變形所需的載荷為2.664N（表中第二行）。我們再驗算一下，如果在ProE中施加2.664N的載荷，Y向變形的確是1mm，我上面說得沒錯（表中第三行

5、）。從表中結果可以看出，如果要產生Y向1mm變形量，需要2.664N的載荷，沒有滿足我們的設計要求。Step4:Step4:既然以彈片目前的形狀，變形量1mm所需的壓力為2.644N，超出了我們先前規(guī)定的0.784-1.96N，那么我們就需要調整彈片的形狀了，目的是讓彈片再“軟”一些。我先試著把1.85mm改成1.5mm，注意，為了保持彈片位于PAD中央（即4.91mm不變），我需要更改5.3mm為5.49mm（此狀態(tài)定義為P2），好了，別忘了然后把彈片恢復成自然狀態(tài)，進行試算。結果如下表，發(fā)現(xiàn)0.8N載荷下，變形更小了，說明我們的試算方向搞反了。 圖片附件: P2 s8.JPG (2006-

6、11-15 16:03, 27.91 K)Step5Step5:好了，我們調整一下修改尺寸的方向，把原來的1.85依次修改成3mm（P3狀態(tài)）和4mm（P4狀態(tài)），相應的5.3修改成4.79和4.55mm，得到的計算結果如下表，可以看出，在P4狀態(tài)，Y向變形1mm所需的載荷為1.58N，已經滿足我們的要求了。 Step6Step6:我還有點兒不滿意，想尋求其他的尺寸改變來控制彈片的“軟硬度”。比如，將單個彈片的寬度由1.2改成1.1mm（P5狀態(tài)）；將兩個彈片之間的切口加長（將原來的7mm改成9mm，定義為P6狀態(tài)），分別計算得到的結果填入表中，可以看出，同樣可以達到將彈片變軟的目的，Y向變形

7、1mm所需的載荷分別為1.5和1.3N，更接近標準要求的中間值。當然我們可以按照這種趨勢再來更改這些尺寸，達到“完美的”設計要求?？偨Y：好了，寫了這么多，走了這么一套“繁瑣”的程序，就是要確認，我們所設計的天線金屬彈片，滿足我們最終的設計要求，而不要在供應商生產出來以后通不過載荷測試再來找我們進行設計變更，或者我們強硬的要求供應商自己解決這個看似是他們應該來解決的問題（我以前工作的公司就是這么做的）。當然，我舉這個例子只是為了讓我們大家一起來學習，用ProE能幫助我們完成更多更好的工作，原理很簡單，寫得很羅索，拋磚引玉吧，希望大家不要笑話我啊優(yōu)化方法來解決上述問題在魚斑竹的提示下，我開始研究用

8、Mechanica的優(yōu)化方法來解決這個問題，避免繁瑣的試算過程?；舅枷牒鸵兀簝?yōu)化目標Goal：求得在指定的載荷下，彈片彎折所能達到的Y向最大位移量Max_disp_Y。設計約束Design Constraints：無設計變量Design Variables：本例有三個-1.兩個彈簧片之間切口的長度Slot_Length; 2.單個彈簧片的寬度Spring_width; 3.彈簧片豎直部分（根部）的長度（而彈簧片伸展部分的臂長由它來確定，后面會講到）Spring1在模型中用Flange生成的彈片尺寸，草繪時需要定義一個relation約束，如下圖所示。簡單的勾股定理利用彈片根部長度來約束彈片

9、臂的長度，注意圖中的4.91這個尺寸是用來約束彈片必須位于PAD中心位置的。 好了，現(xiàn)在可以定義那三個變量了。進入Mechanica模塊，Analysis->Mechanical design controls->design params(我用的是野火2.0)，分別定義三個變量的名稱和最大最小值（這個一定要合理，否則計算會出錯的） 好了，先計算單步的靜力分析，然后再運行優(yōu)化分析。圖中第三個敏感度分析也很有趣，大家不妨也玩玩（它可以幫助我們預見變量如何發(fā)展才有可能得到最優(yōu)值），這里就不作介紹了。最后三步就算出優(yōu)化結果來了，即：Best Design Found:Parameters

10、:   Slot_Length                 10   Spring_Width               0.6   Spring1                    4.2Goal: -1.2862e+00這個結果的意義是：在彈片末端施加0.8N的壓力后，兩彈片間隙長度10mm（我設置的變量范圍是7-10），彈片寬度0.6mm（范圍0.6-1.2），彈片根部長度4.2mm（范圍1.5-4.2）時，可以得到（絕對值）最大的Y向變形量1.28mm左右（超出了我所需要的1mm，滿足要求）。我們后續(xù)可