筆記本電腦后蓋的有限元分析與測試研究

邢俊杰 盛小明

摘 要：筆記本電腦的后蓋用來保護(hù)顯示屏的，顯示屏是個(gè)比較脆弱的結(jié)構(gòu)，許多筆記本電腦LCD顯示屏的刮傷、花屏和裂屏都是受到外界的擠壓碰撞造成的。因此需要加強(qiáng)后蓋的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來保護(hù)LCD顯示屏。為此，本文通過有限元方法對筆記本后蓋部分使用NX Nastran進(jìn)行靜力分析，對后蓋進(jìn)行優(yōu)化對比，得出優(yōu)化方案并進(jìn)行可靠性測試，來檢驗(yàn)有限元計(jì)算模型的正確性。

關(guān)鍵詞：筆記本后蓋；靜力分析；NX Nastran

筆記本電腦作為工作生活的重要組成部分，隨著輕薄化的進(jìn)行，對其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，性能等的要求也進(jìn)一步苛刻。不當(dāng)使用經(jīng)常會(huì)造成液晶面板沒有圖像，甚至破碎。因此有一個(gè)性能良好的后蓋對于筆記本電腦來說是非常重要的。如果要解決這些問題，僅僅依靠使用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)或類比設(shè)計(jì)這些傳統(tǒng)方法來估計(jì)或檢查，結(jié)果通常是不太準(zhǔn)確的，畢竟經(jīng)驗(yàn)值和實(shí)際情況之間會(huì)有一個(gè)比較大的差距。如果等產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)束，通過實(shí)際的產(chǎn)品測試來發(fā)現(xiàn)這些問題，那就需要大量的測試人力和測試機(jī)器，這樣會(huì)造成很大的開發(fā)成本，并且開發(fā)日程也會(huì)變得很長。因此，為了滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的高效、準(zhǔn)確和可靠的要求，加強(qiáng)筆記本的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，保證足夠的可靠性，只有通過有限元法來有效地解決這些問題。有限元分析可以減少損壞性測試樣機(jī)的數(shù)量，不僅可以降低開發(fā)費(fèi)用，還可以減少開發(fā)周期、提高產(chǎn)品開發(fā)的質(zhì)量。

本文利用靜力學(xué)相關(guān)理論并結(jié)合有限分析，通過有限元分析軟件NX Nastran進(jìn)行模擬仿真，對筆記本電腦進(jìn)行了壓力分析，與同樣初始條件下的壓力試驗(yàn)結(jié)果相對比，驗(yàn)證有限元仿真的正確性。主要的研究內(nèi)容包括以下兩個(gè)方面：

第一，對壓力測試方法進(jìn)行介紹，按照日常使用及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)選取7個(gè)代表點(diǎn)進(jìn)行壓力測試，在測試過程中得到每個(gè)點(diǎn)測試過程中的最大應(yīng)變。通過NX Nastran中的靜態(tài)接觸分析原理，對后蓋部分進(jìn)行了靜態(tài)分析，得到了筆記本后蓋的應(yīng)變圖，將應(yīng)變值與試驗(yàn)結(jié)果相對比，偏差在6%以內(nèi)，驗(yàn)證了模型的正確性，同時(shí)說明有限元法對結(jié)構(gòu)優(yōu)化有很好地指導(dǎo)作用；第二，對筆記本電腦后蓋進(jìn)行了優(yōu)化對比，得出優(yōu)化方案并進(jìn)行可靠性測試，得出最佳方案。

1 后蓋參數(shù)介紹及有限元分析

圖1是某款筆記本電腦LCD 部分，其中：后蓋就是俗稱的塑膠外殼。本文以某款筆記本PC+ABS混合塑料作為后蓋的材料來研究，其材質(zhì)采用PC+ABS，厚度T1.7mm。其結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

圖1 LCD部分的構(gòu)成圖

首先，確定筆記本電腦的物理中心點(diǎn)，一般物理中心點(diǎn)的選取是連接四個(gè)角，中心交叉點(diǎn)處為物理中心點(diǎn)，從物理中心點(diǎn)開始，按照50mm的間隔橫向及縱向劃分網(wǎng)格線。測試用網(wǎng)格劃分結(jié)束后，所有網(wǎng)格內(nèi)部及網(wǎng)格交點(diǎn)處都是測試選取點(diǎn)，總共測試點(diǎn)為35個(gè)在模擬測試環(huán)境下對筆記本電腦后蓋進(jìn)行壓力測試仿真，選取7個(gè)點(diǎn)進(jìn)行，如圖2所示。在測試過程中，當(dāng)對筆記本后蓋施加壓力后，后蓋將有個(gè)變形過程。以第1點(diǎn)為例，其外界的中心壓力是35kgf，邊界條件設(shè)置為周邊4個(gè)點(diǎn)都被固定。在建模前先對單元屬性和模型的材料參數(shù)進(jìn)行定義。

圖2壓力測試的邊界條件

通過后處理模塊，用NX Nastran對仿真結(jié)果進(jìn)行可視化。經(jīng)過仿真計(jì)算后，可以算出后蓋處7個(gè)測試點(diǎn)處的最大應(yīng)變。

表1 7個(gè)測試點(diǎn)處最大應(yīng)變

測試位置 第1點(diǎn) 第2點(diǎn) 第3點(diǎn) 第4點(diǎn) 第5點(diǎn) 第6點(diǎn) 第7點(diǎn)

仿真應(yīng)變值d（mm） 8.703 7.565 7.830 7.712 6.457 8.208 7.214

由表1可知，在壓力作用下，位于中心區(qū)域的應(yīng)變值最大。

2后蓋優(yōu)化設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)測試

2.1 后蓋的優(yōu)化設(shè)計(jì)及有限元分析

根據(jù)模擬仿真計(jì)算，后蓋在顯示屏中心區(qū)域在靜壓力作用下的應(yīng)變值比較大。因此，我們考慮在筆記本后蓋顯示屏區(qū)域增加厚度來減小應(yīng)變量，同時(shí)保持四周的邊緣厚度不變，由圖3所示，紅色區(qū)域?yàn)樵黾拥暮穸?，為了成型，紅色區(qū)域邊緣需要增加分化措施。

圖3 后蓋中心區(qū)域增加厚度 圖4 Zwick壓力測試機(jī)

由于LCD 部分的空間限制，所以只能考慮增加T0.1mm和T0.2mm厚度兩種情況。對后蓋部分進(jìn)行模型簡化及網(wǎng)格劃分，在相同的測試環(huán)境下對筆記本電腦后蓋進(jìn)行壓力測試仿真，也是選取7個(gè)點(diǎn)進(jìn)行。使用NX Nastran軟件可以對仿真結(jié)果進(jìn)行可視化，經(jīng)過仿真計(jì)算后，可以算出后蓋處7個(gè)測試點(diǎn)處的最大應(yīng)變，得到T0.1以及T0.2mm厚度的應(yīng)變結(jié)果。

表2 壓力仿真應(yīng)變結(jié)果

由表2可知，隨著后蓋紅色區(qū)域厚度的增加，其受壓的應(yīng)變值也越來越小，說明強(qiáng)度也越來越強(qiáng)，對LCD 顯示屏的保護(hù)效果也越來越好。因此，經(jīng)過NXNastran仿真計(jì)算，中心區(qū)域增加0.2mm厚度的后蓋是符合優(yōu)化設(shè)計(jì)條件的。

2.2 后蓋優(yōu)化結(jié)果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

應(yīng)用上面最終的后蓋優(yōu)化模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)行對應(yīng)的靜壓力測試。本次靜壓力試驗(yàn)采用的壓力測試設(shè)備為德國Zwick公司生產(chǎn)的門式壓力試驗(yàn)機(jī)，如圖4所示。選取測試點(diǎn)，調(diào)節(jié)筆記本電腦的水平位置，與選取點(diǎn)對齊后開始測試。測試過程中，壓頭的移動(dòng)速度為6mm/min，其中壓頭的直徑在mm。在測試過程中，如果沒有發(fā)生斷裂情況，在達(dá)到設(shè)定值35kgf后，壓頭立即釋放壓力，同時(shí)通過顯示屏的讀數(shù)，讀出壓頭從開始測量到測試結(jié)束時(shí)的位移量，即為此測試點(diǎn)的壓力變形量。

通過對后蓋進(jìn)行壓力測試，可以讀出7個(gè)點(diǎn)的應(yīng)變值。如表3所示，實(shí)測數(shù)據(jù)與仿真分析所得數(shù)據(jù)基本吻合，偏差在6%以內(nèi)，說明模型是正確的。

表3 試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對比

3 結(jié)語

本論文通過有限元分析軟件對測試工況的模擬仿真，對筆記本電腦進(jìn)行了靜壓力分析，并將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相對比，結(jié)果基本吻合。說明這些模擬仿真在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，可以起到很好的指導(dǎo)的作用，在保證產(chǎn)品可靠性滿足要求的前提下，提高效率和減少破壞性測試帶來的損失，可以節(jié)省很多成本。本研究中筆記本電腦后蓋、顯示屏都進(jìn)行了簡化處理，因此上述結(jié)果具有一定的局限性。

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