聯(lián)想集團CAE高工元春峰

1 CAE在聯(lián)想的應(yīng)用簡介

    一個好的產(chǎn)品肯定是需要好的制造廠商、制造設(shè)備、制造技術(shù)、制造工藝的，但是它更需要一個更好的設(shè)計。而在設(shè)計前端一個最重要的環(huán)節(jié)就是通過CAE仿真，進行大量的虛擬驗證和產(chǎn)品的仿真優(yōu)化。

    CAE技術(shù)在聯(lián)想產(chǎn)品研發(fā)中的應(yīng)用已達十年，十年中聯(lián)想在CAE軟件上的投入也非常大，從最早引進的MSC Patran/Dytran/Nastran系列軟件，到后來Altair HyperMesh和達索Abaqus的應(yīng)用，現(xiàn)在也是Ansys等其他先進CAE軟件的用戶。

    在聯(lián)想CAE工作內(nèi)容是分三部分定義的：第一部分是支持產(chǎn)品的設(shè)計，在這部分經(jīng)常開展的有靜壓力分析、沖擊跌落分析、剛度分析、彎曲扭曲分析、主板應(yīng)變分析等。第二部分是產(chǎn)品的創(chuàng)新，聯(lián)想非常注重用CAE分析技術(shù)來推動創(chuàng)新，比如新的架構(gòu)，新的部件導(dǎo)入，新的制造工藝，甚至是新的材料使用等。第三部分就是用戶使用體驗，典型的例子就是筆記本的屏幕顫抖分析，尤其是在WIN8系統(tǒng)推出之后用戶會經(jīng)常通過觸碰筆記本的屏幕來進行人機交互，那么筆記本的屏幕顫抖將會很大程度影響用戶的使用體驗。還有用戶的手指去按壓鍵盤的時候感覺是否良好，筆記本工作時的噪音是否過大等等，這些都需要去仿真模擬。

    也可以將CAE分析的內(nèi)容歸為靜態(tài)分析和動態(tài)分析兩部分：靜態(tài)分析包括系統(tǒng)剛度、部件強度、屏幕顫抖、局部應(yīng)力應(yīng)變等分析，動態(tài)分析包括自由跌落、落球測試、重物碰撞、系統(tǒng)整機沖擊、帶包裝的跌落等。

    聯(lián)想筆記本的CAE分析內(nèi)容

2 高效的產(chǎn)品研發(fā)流程

    在聯(lián)想，高效的產(chǎn)品研發(fā)流程分為三個階段——概念階段（Concept Stage）、開模制造之前（Before Tooling）、開模制造之后量產(chǎn)之前（After Tooling），而CAE在這三個階段均發(fā)揮著重要的作用。

    在產(chǎn)品概念階段，CAE針對部件的選擇、系統(tǒng)堆疊方案等來做仿真評估和優(yōu)化設(shè)計，給結(jié)構(gòu)工程師提供設(shè)計建議。在非常關(guān)鍵的產(chǎn)品開模制造之前，要對設(shè)計方案進行一輪完整的分析，內(nèi)容包括第一部分提到的所有靜態(tài)和動態(tài)分析，給出詳細的分析報告，找出設(shè)計風(fēng)險并修正。開模之后量產(chǎn)之前，經(jīng)過了前面兩個階段CAE分析之后出現(xiàn)的問題比較少，主要是配合產(chǎn)品驗證部門發(fā)現(xiàn)一些緊急的產(chǎn)品設(shè)計缺陷，找出根本原因和解決方法，并積累經(jīng)驗在下一代產(chǎn)品中設(shè)計中再去規(guī)避錯誤。

    Concept Stage的CAE應(yīng)用案例——平板電腦落球測試。產(chǎn)品設(shè)計越來越輕薄化，結(jié)構(gòu)工程師需要綜合考慮玻璃材質(zhì)、強度、厚度，間隙設(shè)計等一系列問題。而CAE仿真則可以進行內(nèi)部間隙、邊框材質(zhì)、內(nèi)襯板材質(zhì)、堆疊厚度等關(guān)鍵參數(shù)的分析。輔助決策玻璃選擇，觸摸屏選擇，為系統(tǒng)設(shè)計提供指引。

    平板電腦落球測試

    Before Tooling的CAE應(yīng)用案例——手機內(nèi)襯件材料選擇。需要兼顧重量和剛度，如果選用鋁質(zhì)的內(nèi)襯件整機剛度可能不夠，而如果選擇不銹鋼產(chǎn)品重量會超標(biāo)。鑒于鋁的散熱性更好，更傾向于采用鋁質(zhì)。但在系統(tǒng)剛強度方面就需要做好評估，這種情況下便可通過CAE進行剛度分析、跌落分析等驗證，驗證結(jié)果表明，在這款產(chǎn)品設(shè)計上，選用鋁制材料可滿足剛度要求，從而大大減輕了產(chǎn)品重量，同時獲得了更好的散熱性。

    手機內(nèi)襯件材料選擇

    After Tooling的CAE應(yīng)用案例——筆記本壓力測試。某款筆記本在最后的測試階段發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)背壓測試之中屏幕表面出現(xiàn)白斑，由于筆記本內(nèi)部接觸太復(fù)雜，通過測試很難找到解決方法。通過CAE工程師的建模，在建立了復(fù)雜的接觸非線性后，還原出測試中的問題所在，模擬結(jié)果中失效部位的應(yīng)力狀況與實際測試非常吻合，最終找到了問題根源并在以后的設(shè)計中避免再次發(fā)生同樣的錯誤。

    筆記本壓力測試

3 仿真應(yīng)用的價值

    根據(jù)我自己的理解，我認為CAE技術(shù)帶給我們最大的幫助就是可以為產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計提供很多更有價值的數(shù)據(jù)和信息。第一，通過CAE技術(shù)我們可以把精力集中在更有挑戰(zhàn)性的項目上，一個產(chǎn)品需要做太多的測試分析，如果面面俱到我們CAE工作強度就會太大，我們可以選擇其中比較有挑戰(zhàn)性的羅列出來并逐一驗證。第二，通過CAE技術(shù)我們可以為失效的測試項目給出最好的解決方案，比如很多筆記本的設(shè)計是只能打開到135度的，但是有的用戶不清楚這個設(shè)計特征，往往在打開到這個角度時，仍會用力想去打開到更大的角度，如果設(shè)計中忽視了這個因素，就會帶來筆記本的損壞，所以我們需要針對此項可靠性分析內(nèi)容進行分析，透過分析結(jié)果，給出設(shè)計建議，保證在滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求的同時，最大限度的降低應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力值。第三，找出設(shè)計余量，產(chǎn)品雖然通過了虛擬驗證，但是還是可能存在設(shè)計冗余導(dǎo)致無謂的成本增加，通過CAE分析可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計冗余、計算出設(shè)計余量并改正設(shè)計。第四，靈敏度分析，通過CAE分析計算出所有設(shè)計參數(shù)的靈敏度，并找出對產(chǎn)品性能影響最大也就是靈敏度最高的設(shè)計參數(shù)。

    為了最大限度發(fā)揮CAE的價值，還需要控制仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。對仿真結(jié)果準(zhǔn)確性比較有影響的因素包括：網(wǎng)格尺寸、單元類型、材料參數(shù)、基礎(chǔ)試驗的支持、試驗和仿真的匹配度、分析類型、邊界條件、試驗驗證、知識累計、經(jīng)驗技巧等等。

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