有限元法与响应面优化在通讯电源钣金件设计中的应用

某型通讯电源如图1，机箱为钣金件，主功率PCB质量1.5kg。主功率PCB支撑钣金件如图2，原设计质量为0.72kg。

图3为机箱和PCB支撑的下料展开图，因为是相同厚度，而且材料均为热镀锌板，加工时可以用一张原始板材。下料面积为952X573=545,495mm²。按图4的排列方式，下料面积为876X573=501,948mm²。注意到图4右上角还有空白区域，开始考虑改变PCB支撑的结构，使PCB支撑的下料面积可以完全落入机箱的展开面积

。

PCB支撑新设计如图5，加工阶段拆成4件，使用状态为焊接后的整体件。前支撑如图6，U型横梁如图7，后支撑如图8。

在PRO/E中定义4个传递给ANSYS WORKBENCH的尺寸参数，分别是：后支撑切断长度(图9标记A)，前支撑切断长度(图10标记B)，横梁截面宽度和高度如图11。

在DESIGN MODELLER中导入PRO/E模型后，可见4个尺寸参数也被导入如图12。抽取中间面，在横梁上建立4个印记面作为PCB重量的作用面。在MECHANICAL内指定边界条件和载荷如图13，并设置输出参数：前支撑质量、后支撑质量、横梁质量、最大变形量、最大等效应力。

如图14，Parameter Set中设置总质量参数P101，数值等于前支撑、后支撑、2个横梁的质量之和。建立响应面优化任务如图15。根据主功率PCB安装情况，指定尺寸参数的变化范围如图16：前支撑切断长度50~120，后支撑切断长度240~312，横梁截面宽度14~30，横梁截面高度6~13。

更新后，获得25个DOE设计点的输出参数指定结果：零件质量，最大变形，最大等效应力如图17。

拟合度曲线如图18，可见响应面预测与实验设计点匹配的很好。如图19，设置优化目标：总质量(参数P101)最小。设置约束：最大变形<0.1mm，最大等效应力<156MPa(热镀锌板材料屈服强度235MPa/1.5)。

优化结果如图20：前支撑切断长度50.7，后支撑切断长度281.5，横梁截面宽度14.7，横梁截面高度7.6，总质量0.43254kg，最大变形0.0899mm，最大等效应力15.656MPa。

在MECHANICAL中验证计算，最大变形如图21，最大等效应力如图22。RRO/E中更新结果如图23。

PCB支撑新旧设计的实物对比如图24和图25。新设计的钣金支撑可承载PCB全部质量如图26。

对比图27和图28，新设计减重42%。如图29，优化后的PCB支撑下料可完全放入机箱钣金下料的缺口区域。最终下料面积777X573=445,221mm²，比原设计下降18.4%。

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