基于ANSYS的筆記本電腦的跌落測試仿真分析

張彬　高強

摘 要：筆記本電腦的損壞大部分是由于跌落沖擊造成的，該文對某型號的筆記本電腦進行了實體建模并進行有限元分析，模擬筆記本電腦在不同情況下的跌落實驗，實驗結果與企業標準作對比，證明了本方法的有效性。

關鍵詞：筆記本電腦 跌落仿真 ANSYS

中圖分類號：TB485 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）02（a）-0075-02

筆記本電腦在各種各樣的沖擊環境中，跌落是導致產品破損的最關鍵因素，因為跌落沖擊最為激烈。所以不管是消費者還是設計人員最關注的就是產品的跌落沖擊。它們的破損大多數是由于跌落沖擊引起的。因此對于筆記本電腦的關鍵零配件和帶包裝的筆記本電腦動力學性能研究文獻有不少，王亮等進行了基于ANSYS/LS-DYNA的電源適配器外殼耐鋼球撞擊性的分析，研究了不明外物對電源適配器的撞擊是否會對使用者的安全構成威脅[1]。宋日恒等進行了基于ANSYS的筆記本電腦包裝件跌落仿真研究，建立了瓦楞紙箱、緩沖墊和筆記本電腦的有限元模型，模擬實際的運輸流通環境和倉庫堆碼環境下對模型進行跌落試驗，得到筆記本電腦在不同條件下跌落的受力情況[2]。陸維生等進行了基于ANSYS/LS- DYNA的PCB板跌落仿真，分析了跌落高度和緩沖墊對電子機箱上的印刷電路板動態響應的影響[3]。綜上可知，對于不帶包裝的筆記本電腦的跌落分析，還未見相關文獻發表

本研究通過三維建模軟件Unigraphi

cs（NX）建立產品三維模型，并進行有限元分析，模擬用戶在使用過程中不同形式的跌落工況，從而求得筆記本電腦在不同角度跌落時所受的應力應變情況。通過模擬實驗所得結果，對于新開發產品采取不同的防范措施來達到最大程度地降低產品破損率[4]。

1 瞬態動力學理論基礎

瞬態動力學分析（亦稱時間歷程分析）是用于確定承受任意的隨時間變化載荷結構的動力學響應的一種方法。可以用瞬態動力學分析確定結構在穩態載荷，瞬態載荷和簡諧載荷的隨意組合作用下的隨時間變化的位移，應變，應力及力。首先通過模態分析計算出系統的固態頻率，然后通過瑞利（Rayleigh）阻尼常數α和β確定M及K值。

式中：M、C、K分別為筆記本的質量、阻尼及剛度矩陣。分別為節點加速度向量、速度向量、位移向量。

在任意給定的時間t，這些方程可以看作是一系列考慮了慣性力和阻尼力的靜力學平衡方程。ANSYS程序使用Newmark的時間積分方法在離散點上求解這些方程。

2 筆記本跌落仿真分析

2.1 筆記本有限元模型的建立

筆記本的三維幾何模型是在NX中建立的，它包括液晶顯示器部分，系統部分，如圖1所示，將模型導入ANSYS，進行有限元分析。筆記本所選材料的屬性見（表1）。對筆記本的網絡劃分采用智能劃分方式，特別是對角落部分進行了加密處理[5]。劃分網格結束后的有限元模型表見表2，效果如圖2所示。

2.2 加載條件及后處理

此部分要設定跌落的初始條件，如：跌落的高度，跌落方向和初始速度等。跌落的模擬圖如（圖3）所示，我們以某個側邊落地為例，跌落的兩個主要因素：跌落高度h及跌落時與地面的夾角θ。跌落的高度，參考企業標準及日常使用，大部分電腦桌的桌面離地0.75 m，所以設定跌落高度h為0.75 m。跌落的角度θ不同造成的損壞程度也有不同，受于篇幅限制，本文只闡述損壞最為嚴重的情況，即當θ=45時的情況。

根據物體自由落體運動方程：

可以計算得出筆記本電腦在落地瞬間速度為3.8 m/s，經過計算，碰撞后的應變及應力圖分別如（圖4，5）所示，最大彈性應變值為1.8×10-6m，發生在跌落的角落。最大彈性應力值為：23.5 Mpa，出現在與地面接觸的角落，應力值在外殼用材質的應力范圍內，依然屬于彈性變化。

3 結語

本文通過ANSYS對筆記本電腦的跌落作了動態模擬，分析了電腦的整體變形和受力情況，通過該分析可以對產品提出不同的優化方案，從而減少新產品的開發時間，同時還可以減少開發費用，避免了破壞性測試帶來的不必要損失。值得指出的是，本文在研究中對筆記本電腦的零部件的結構，外觀，及結合處理進行了簡化處理，因此有一定的局限性。

參考文獻

[1] 王亮.基于ANSYS/LS-DYNA 的電源適配器外殼耐鋼球撞擊性的分析[J].計算機應用技術，2008，35（7）

[2] 宋日恒，張治國.基于ANASYS的筆記本電腦包裝件跌落仿真研究[J].浙江科技學院學報，2009，21（4）.

[3] 陸維生，馮志華，鄒甲軍.基于ANSYS/LS-DYNA的PCB板跌落仿真[J].蘇州大學學報（工科版），2006，26（1）.

[4] 倪正順，帥詞俊.CAE方法中的優化技術及應用[J].現代機械，2002（2）.

[5] 熊建友，辛勇，揭小平，等.ANSYS/LS-DYNA在跌落仿真中的應用[J].計算機輔助工程，2003（6）.

[6] WANG Y Y，LU C，LI J，et al.Simulation o f drop impact reliability for electronic devices[J].Finite Elements in Analysis and Design，2005（41）：667-680.endprint

摘 要：筆記本電腦的損壞大部分是由于跌落沖擊造成的，該文對某型號的筆記本電腦進行了實體建模并進行有限元分析，模擬筆記本電腦在不同情況下的跌落實驗，實驗結果與企業標準作對比，證明了本方法的有效性。

關鍵詞：筆記本電腦 跌落仿真 ANSYS

中圖分類號：TB485 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）02（a）-0075-02

筆記本電腦在各種各樣的沖擊環境中，跌落是導致產品破損的最關鍵因素，因為跌落沖擊最為激烈。所以不管是消費者還是設計人員最關注的就是產品的跌落沖擊。它們的破損大多數是由于跌落沖擊引起的。因此對于筆記本電腦的關鍵零配件和帶包裝的筆記本電腦動力學性能研究文獻有不少，王亮等進行了基于ANSYS/LS-DYNA的電源適配器外殼耐鋼球撞擊性的分析，研究了不明外物對電源適配器的撞擊是否會對使用者的安全構成威脅[1]。宋日恒等進行了基于ANSYS的筆記本電腦包裝件跌落仿真研究，建立了瓦楞紙箱、緩沖墊和筆記本電腦的有限元模型，模擬實際的運輸流通環境和倉庫堆碼環境下對模型進行跌落試驗，得到筆記本電腦在不同條件下跌落的受力情況[2]。陸維生等進行了基于ANSYS/LS- DYNA的PCB板跌落仿真，分析了跌落高度和緩沖墊對電子機箱上的印刷電路板動態響應的影響[3]。綜上可知，對于不帶包裝的筆記本電腦的跌落分析，還未見相關文獻發表

本研究通過三維建模軟件Unigraphi

cs（NX）建立產品三維模型，并進行有限元分析，模擬用戶在使用過程中不同形式的跌落工況，從而求得筆記本電腦在不同角度跌落時所受的應力應變情況。通過模擬實驗所得結果，對于新開發產品采取不同的防范措施來達到最大程度地降低產品破損率[4]。

1 瞬態動力學理論基礎

瞬態動力學分析（亦稱時間歷程分析）是用于確定承受任意的隨時間變化載荷結構的動力學響應的一種方法。可以用瞬態動力學分析確定結構在穩態載荷，瞬態載荷和簡諧載荷的隨意組合作用下的隨時間變化的位移，應變，應力及力。首先通過模態分析計算出系統的固態頻率，然后通過瑞利（Rayleigh）阻尼常數α和β確定M及K值。

式中：M、C、K分別為筆記本的質量、阻尼及剛度矩陣。分別為節點加速度向量、速度向量、位移向量。

在任意給定的時間t，這些方程可以看作是一系列考慮了慣性力和阻尼力的靜力學平衡方程。ANSYS程序使用Newmark的時間積分方法在離散點上求解這些方程。

2 筆記本跌落仿真分析

2.1 筆記本有限元模型的建立

筆記本的三維幾何模型是在NX中建立的，它包括液晶顯示器部分，系統部分，如圖1所示，將模型導入ANSYS，進行有限元分析。筆記本所選材料的屬性見（表1）。對筆記本的網絡劃分采用智能劃分方式，特別是對角落部分進行了加密處理[5]。劃分網格結束后的有限元模型表見表2，效果如圖2所示。

2.2 加載條件及后處理

此部分要設定跌落的初始條件，如：跌落的高度，跌落方向和初始速度等。跌落的模擬圖如（圖3）所示，我們以某個側邊落地為例，跌落的兩個主要因素：跌落高度h及跌落時與地面的夾角θ。跌落的高度，參考企業標準及日常使用，大部分電腦桌的桌面離地0.75 m，所以設定跌落高度h為0.75 m。跌落的角度θ不同造成的損壞程度也有不同，受于篇幅限制，本文只闡述損壞最為嚴重的情況，即當θ=45時的情況。

根據物體自由落體運動方程：

可以計算得出筆記本電腦在落地瞬間速度為3.8 m/s，經過計算，碰撞后的應變及應力圖分別如（圖4，5）所示，最大彈性應變值為1.8×10-6m，發生在跌落的角落。最大彈性應力值為：23.5 Mpa，出現在與地面接觸的角落，應力值在外殼用材質的應力范圍內，依然屬于彈性變化。

3 結語

本文通過ANSYS對筆記本電腦的跌落作了動態模擬，分析了電腦的整體變形和受力情況，通過該分析可以對產品提出不同的優化方案，從而減少新產品的開發時間，同時還可以減少開發費用，避免了破壞性測試帶來的不必要損失。值得指出的是，本文在研究中對筆記本電腦的零部件的結構，外觀，及結合處理進行了簡化處理，因此有一定的局限性。

參考文獻

[1] 王亮.基于ANSYS/LS-DYNA 的電源適配器外殼耐鋼球撞擊性的分析[J].計算機應用技術，2008，35（7）

[2] 宋日恒，張治國.基于ANASYS的筆記本電腦包裝件跌落仿真研究[J].浙江科技學院學報，2009，21（4）.

[3] 陸維生，馮志華，鄒甲軍.基于ANSYS/LS-DYNA的PCB板跌落仿真[J].蘇州大學學報（工科版），2006，26（1）.

[4] 倪正順，帥詞俊.CAE方法中的優化技術及應用[J].現代機械，2002（2）.

[5] 熊建友，辛勇，揭小平，等.ANSYS/LS-DYNA在跌落仿真中的應用[J].計算機輔助工程，2003（6）.

[6] WANG Y Y，LU C，LI J，et al.Simulation o f drop impact reliability for electronic devices[J].Finite Elements in Analysis and Design，2005（41）：667-680.endprint

摘 要：筆記本電腦的損壞大部分是由于跌落沖擊造成的，該文對某型號的筆記本電腦進行了實體建模并進行有限元分析，模擬筆記本電腦在不同情況下的跌落實驗，實驗結果與企業標準作對比，證明了本方法的有效性。

關鍵詞：筆記本電腦 跌落仿真 ANSYS

中圖分類號：TB485 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）02（a）-0075-02

筆記本電腦在各種各樣的沖擊環境中，跌落是導致產品破損的最關鍵因素，因為跌落沖擊最為激烈。所以不管是消費者還是設計人員最關注的就是產品的跌落沖擊。它們的破損大多數是由于跌落沖擊引起的。因此對于筆記本電腦的關鍵零配件和帶包裝的筆記本電腦動力學性能研究文獻有不少，王亮等進行了基于ANSYS/LS-DYNA的電源適配器外殼耐鋼球撞擊性的分析，研究了不明外物對電源適配器的撞擊是否會對使用者的安全構成威脅[1]。宋日恒等進行了基于ANSYS的筆記本電腦包裝件跌落仿真研究，建立了瓦楞紙箱、緩沖墊和筆記本電腦的有限元模型，模擬實際的運輸流通環境和倉庫堆碼環境下對模型進行跌落試驗，得到筆記本電腦在不同條件下跌落的受力情況[2]。陸維生等進行了基于ANSYS/LS- DYNA的PCB板跌落仿真，分析了跌落高度和緩沖墊對電子機箱上的印刷電路板動態響應的影響[3]。綜上可知，對于不帶包裝的筆記本電腦的跌落分析，還未見相關文獻發表

本研究通過三維建模軟件Unigraphi

cs（NX）建立產品三維模型，并進行有限元分析，模擬用戶在使用過程中不同形式的跌落工況，從而求得筆記本電腦在不同角度跌落時所受的應力應變情況。通過模擬實驗所得結果，對于新開發產品采取不同的防范措施來達到最大程度地降低產品破損率[4]。

1 瞬態動力學理論基礎

瞬態動力學分析（亦稱時間歷程分析）是用于確定承受任意的隨時間變化載荷結構的動力學響應的一種方法。可以用瞬態動力學分析確定結構在穩態載荷，瞬態載荷和簡諧載荷的隨意組合作用下的隨時間變化的位移，應變，應力及力。首先通過模態分析計算出系統的固態頻率，然后通過瑞利（Rayleigh）阻尼常數α和β確定M及K值。

式中：M、C、K分別為筆記本的質量、阻尼及剛度矩陣。分別為節點加速度向量、速度向量、位移向量。

在任意給定的時間t，這些方程可以看作是一系列考慮了慣性力和阻尼力的靜力學平衡方程。ANSYS程序使用Newmark的時間積分方法在離散點上求解這些方程。

2 筆記本跌落仿真分析

2.1 筆記本有限元模型的建立

筆記本的三維幾何模型是在NX中建立的，它包括液晶顯示器部分，系統部分，如圖1所示，將模型導入ANSYS，進行有限元分析。筆記本所選材料的屬性見（表1）。對筆記本的網絡劃分采用智能劃分方式，特別是對角落部分進行了加密處理[5]。劃分網格結束后的有限元模型表見表2，效果如圖2所示。

2.2 加載條件及后處理

此部分要設定跌落的初始條件，如：跌落的高度，跌落方向和初始速度等。跌落的模擬圖如（圖3）所示，我們以某個側邊落地為例，跌落的兩個主要因素：跌落高度h及跌落時與地面的夾角θ。跌落的高度，參考企業標準及日常使用，大部分電腦桌的桌面離地0.75 m，所以設定跌落高度h為0.75 m。跌落的角度θ不同造成的損壞程度也有不同，受于篇幅限制，本文只闡述損壞最為嚴重的情況，即當θ=45時的情況。

根據物體自由落體運動方程：

可以計算得出筆記本電腦在落地瞬間速度為3.8 m/s，經過計算，碰撞后的應變及應力圖分別如（圖4，5）所示，最大彈性應變值為1.8×10-6m，發生在跌落的角落。最大彈性應力值為：23.5 Mpa，出現在與地面接觸的角落，應力值在外殼用材質的應力范圍內，依然屬于彈性變化。

3 結語

本文通過ANSYS對筆記本電腦的跌落作了動態模擬，分析了電腦的整體變形和受力情況，通過該分析可以對產品提出不同的優化方案，從而減少新產品的開發時間，同時還可以減少開發費用，避免了破壞性測試帶來的不必要損失。值得指出的是，本文在研究中對筆記本電腦的零部件的結構，外觀，及結合處理進行了簡化處理，因此有一定的局限性。

參考文獻

[1] 王亮.基于ANSYS/LS-DYNA 的電源適配器外殼耐鋼球撞擊性的分析[J].計算機應用技術，2008，35（7）

[2] 宋日恒，張治國.基于ANASYS的筆記本電腦包裝件跌落仿真研究[J].浙江科技學院學報，2009，21（4）.

[3] 陸維生，馮志華，鄒甲軍.基于ANSYS/LS-DYNA的PCB板跌落仿真[J].蘇州大學學報（工科版），2006，26（1）.

[4] 倪正順，帥詞俊.CAE方法中的優化技術及應用[J].現代機械，2002（2）.

[5] 熊建友，辛勇，揭小平，等.ANSYS/LS-DYNA在跌落仿真中的應用[J].計算機輔助工程，2003（6）.

[6] WANG Y Y，LU C，LI J，et al.Simulation o f drop impact reliability for electronic devices[J].Finite Elements in Analysis and Design，2005（41）：667-680.endprint