基于鋼化玻璃貼合的車載19 inch LCD加固設計和抗沖振分析

熊仕鵬，胡 彬，王慶生，劉 磊，曾 磊

（中電科蓉威電子技術有限公司，成都 610036）

0 引言

薄膜晶體管液晶顯示器（Thin Film Transistor Liquid Crystal Display，TFT-LCD）是目前市場上的主流平板顯示器。其中TFT-LCD 基板玻璃是TFT-LCD 的重要組成部分，基板由兩塊基板玻璃組成，基板玻璃（以下簡稱為基板）的厚度僅為0.5～0.7 mm[1]，抗沖擊和抗振動設計是LCD設備設計的重要內容。

（1）應用環境方面。相對家用和桌面環境，車載等振動環境更加嚴酷，李斌等[2]提出參考GJB150 開展車載液晶顯示器環境試驗。

（2）LCD大尺寸應用方面。LCD顯示屏的尺寸越大，基板玻璃的制作工藝難度越大，同時力學環境對液晶屏的影響越大。

（3）LCD 加固設計方面。黃東洋等[3]提出通過加強筋增加LCD 支撐件強度的方案，提高了加固顯示模塊的固有頻率，從而提高LCD 抗振能力。王杰、劉小平等[4]針對超大尺寸機載LCD 提出了一種“三明治”加固方法，將LCD 置于兩塊鋼化玻璃之間，四周填充緩沖材料的方案，此方案與本文的方案相近，但“三明治”方案中鋼化玻璃只起到加強LCD 作用，也未采用鋼化玻璃與設備結構件緊固方案。張逸[5]闡述了采用LOCA 全貼合工藝實現保護玻璃、觸摸屏和液晶顯示屏之間的固定。

（4）仿真分析方面。Ansys Workbench 是業內主流的有限元仿真軟件，具備模態分析和耦合分析能力，在工程研究方面有廣泛的應用。范汪明等[6]采用Ansys Workbench 開展了無人機隨機振動的模態分析，徐偉等[7]用Ansys 開展飛機疊翼模態和流固的耦合分析，王海濤等[8]采用Ansys 對升降裝置支撐開展抗沖擊動力學分析。

本文以GJB367A和GJB150.16A車內設備沖擊和振動環境作為環境指標，采用Ansys Workbench建立預應力下模態、隨機振動和瞬態動力分析模型，以LCD 傳統固定方式作為比對，引入貼合鋼化玻璃工藝實現LCD 固定，分析此方案對19 inch LCD基板和LCD設備的加固作用。

1 標準與原則

1.1 19 inch LCD屏

19 inch 是顯示器行業標準尺寸之一，為滿足標準車載上架對設備面板的尺寸規范要求，以顯示區域最大化作為設計原則，選用分辨率1 280×1 024，顯示比例為5∶4 的LCD 顯示屏作為分析對象，表1所示為本文采用某主流LCD供應商的19 inch 5∶4液晶屏基本參數。

表1 LCD屏振動分析相關參數

1.2 車載沖擊和振動環境

GJB367A《軍用通信設備通用規范》第3.10.3.4章節提出汽車、拖車、方艙等車內使用沖擊環境要求，即后峰鋸齒形脈沖，峰值加速度為300 m∕s2，脈沖寬度為11 ms。GJB150.16A《軍用裝備實驗室環境試驗方法第16部分：振動試驗》圖C1提出輪式車的貨廂底板的典型振動響應，適用于高速公路卡車振動環境。其振動參數如表2所示。根據顯示設備在車輛中的實際安裝情況，將縱向設為垂直于LCD 屏方向，垂向設為平行于LCD 屏的上下方向，橫向設為平行于LCD屏的左右方向。

表2 高速公路卡車振動指標

1.3 上架安裝形式

GJB 100《面板、機架和機框的基本尺寸系列》和GJB∕Z 28A《插箱、插件基本尺寸系列》中對標準上架機箱面板外形尺寸作出明確的規定，LCD 液晶屏選用19 inch 5∶4的，顯示器設備采用9U高度。

2 顯示屏加固方案

本文以某公司主流型號LCD 液晶屏為例，梳理出與振動相關結構，其內部結構主要可分為前框、基板、有機玻璃板（導光板）和后框，基本結構如圖1所示。顯示器通過前后框將基板和有機玻璃固定。

圖1 LCD顯示屏組成簡化模型

2.1 傳統方案（方案一）

行業內LCD 顯示屏都在后框兩側設計有自攻螺紋4處，利用此處螺紋孔將顯示屏緊固到面板上。

2.2 鋼化玻璃貼合方案（方案二）

與手機和便攜型平板采用的鋼化玻璃貼合工藝相同，19 inch LCD鋼化玻璃貼合方案是在原LCD的前框外側貼合鋼化玻璃，鋼化玻璃外形尺寸比LCD基板大一圈（4 mm），貼合穩定后，通過結構件壓合鋼化玻璃四周邊緣實現顯示屏與面板的緊固。圖2所示為鋼化玻璃貼合方案簡化模型。

圖2 鋼化玻璃貼合方案簡化模型

2.3 面板結構件

面板是LCD 設備與車載機柜或墻體之間的安裝件，兩種方案采用相同面板，面板的外觀圖如圖3所示。

圖3 面板的外觀

3 仿真分析

兩種LCD 顯示屏固定方案分別采用螺釘緊固和結構件壓合方式，固定過程中涉及到螺釘和結構件間壓合預緊力。建立分析過程中引入預緊力，使用Ansys Workbench 分析軟件建立靜力、模態、隨機振動和瞬態動力分析的關聯模型，仿真關聯模型如圖4所示。

圖4 仿真關聯模型

3.1 材料屬性

采用方案一的19 inch 上架LCD 顯示設備主要結構件包括面板×1、LCD×1、M2.5 螺釘×4（左右各兩顆）和LCD 固定件×1，其中LCD 屏包括前框×1、基板玻璃×1、導光板×1和后框×1。

采用方案二的主要結構件包括面板×1、LCD×1、鋼化玻璃壓合件×4，其中LCD 屏包括鋼化玻璃×1、前框×1、基板玻璃×1、導光板×1和后框×1。

其中LCD 基板材料為無堿鋁硼硅酸鹽玻璃，引用某型基板玻璃力學參數［9］，其密度為2.37 g∕cm3，楊氏模量為10.9 GPa，泊松比為0.23。其他部件的材料屬性［10］如表3所示。

表3 材料屬性

3.2 建立約束

3.2.1 接觸對設置

仿真模型應與實際安裝情況保持一致，其中約束設置是否正確對仿真結構有較大的影響。分析兩種方案的安裝形式，部件間的約束設置如表4所示。其中，為簡化模型，將方案一中兩側M2.5 螺釘近似看作為直徑為2.5 mm 的圓柱。同時，由于行業內材料手冊中動摩擦因數的數據相對較全，本文的摩擦接觸都采用動摩擦因數，其相對于靜摩擦因數較小，對模型整體剛度有減弱影響。

表4 接觸對約束設置

3.2.2 固定約束和預緊力

（1）標準上架設備通過面板螺釘緊固于機柜或墻面，車輛的振動響應通過機柜或墻面傳遞到面板再到LCD，仿真中將面板左右兩處與機柜或墻面的貼合面設定為固定約束。

（2）針對預緊力。根據DIN267 標準，4.8 級M2.5 螺紋連接預緊力預估為743 N，方案一（圖5（a））中LCD 采用4 顆螺釘固定于LCD 固定件，主要受力的螺紋處于后框，其材質強度與螺紋相近，但考慮到后框螺紋采用鈑金翻孔工藝，其螺紋質量不高，本文將743 N 預緊力乘以0.5的系數作用于螺桿，預緊力為371.5 N。

方案二（圖5（b））采用結構件（鋼化玻璃壓合件）壓緊鋼化玻璃，其預緊力通過壓合件作用于鋼化玻璃四周，其中LCD 每邊的鋼化玻璃壓合件采用3 顆M2.5 螺釘緊固于面板。與方案一不同，其主要受力的螺紋處于面板，面板材質強度與螺紋強度相差較大，應以面板的材質作為預緊力的計算基礎。以5A06-H112 材料為例，假設面板上螺紋第一齒承受全部拉力，其螺紋接觸面積S1≈3.14×[D12(大徑)-D22(小徑)]∕4≈1.73 mm2，將屈服強度P1=165 MPa[11]和安全系數0.7導入計算，得到預緊力P=0.7×P1×S1≈199.28 N。

圖5 預緊力設置

3.3 仿真模型

在三維軟件中簡化模型，將模型導入到Ansys Workbench 中，設置部件屬性、材料、接觸和約束，全局網格賦值5 mm，細化預應力處和基板網格，得到方案一和方案二仿真模型如圖6所示。

圖6 仿真模型

3.4 仿真結果

基板是LCD 的顯示單元，是本次仿真中的研究對象。分析基板的安裝方式和結構形式可知，在兩邊或者四周固定的狀態下，應重點分析垂直于屏方向（Z向和-Z向）的變形。

3.4.1 傳統方案結果

對方案一模型開展靜力分析、模態分析和隨機振動計算，得到前6 階振動模態如表5所示，預緊力下和隨機振動下基板Z向最大位移為0.038 472 mm 和0.140 37 mm，如圖7所示。

圖7 方案一基板振動仿真云圖

表5 方案一前6階模態

方案一在沖擊條件下，基板+Z向最大位移為4.824 3 mm，基板-Z向最大位移為4.824 3 mm，如圖8所示。

圖8 方案一基板沖擊仿真云圖

3.4.2 鋼化玻璃貼合方案結果

同理，對方案二模型開展計算，得到前6 階振動模態如表6所示，預緊力下和隨機振動下基板Z向最大位移為0.056 184 mm和0.124 78 mm，如圖9所示。

圖9 方案二基板振動仿真云圖

表6 方案二前6階模態

方案二在沖擊條件下，基板+Z向最大位移為1.764 7 mm，基板-Z向最大位移為-0.595 65 mm，如圖10所示。

圖10 方案二基板沖擊仿真云圖

3.5 結果分析

鋼化玻璃貼合固定方案（方案二）的固有頻率、基板變形數據都優于方案一。針對方案二，相比抗振動效果，其抗沖擊效果更加明顯。方案的數據對比如表7所示。

表7 固定方案的數據對比表

4 實驗結果

采用鋼化玻璃貼合固定方案的19 inch LCD 設備如圖11所示，其結構、材料等與方案二仿真模型相同。經過振動和沖擊試驗后，LCD正常顯示，試驗通過。

圖11 振動和沖擊試驗過程

5 結束語

本文對19 inch LCD 車載上架顯示設備的顯示屏固定方式作出分析，引入鋼化玻璃貼合方案，旨在為復雜使用環境下大尺寸LCD的加固設計提供解決方案。

（1）通過建立預應力下模態隨機振動和瞬態動力學仿真模型，模擬車載設備振動和沖擊環境，提出車載設備基于有限元仿真的沖擊振動模擬的方案。

（2）基于LCD 構成和應用場景，介紹了兩種固定的建模和分析過程，提出LCD模型建立方案。

（3）鋼化玻璃貼合方案的原理是通過鋼化玻璃與基板的緊密貼合并綁定，提高基板的剛性和強度，提高LCD 自身的抗彎曲的應變。同時，通過壓緊鋼化玻璃四周將面板傳遞過來的沖擊和振動轉移到鋼化玻璃，減少沖擊和振動對基板的直接影響；基板與面板、LCD 固定件間無直接接觸，相對于傳統方案，基板不會產生來自于LCD框體的壓應力，有利于基板的顯示。

（4）對比傳統固定方案，鋼化玻璃貼合加固方案的1 階固有頻率從65.807 Hz 提升到114.91 Hz；在隨機振動作用下，LCD 基板最大位移從0.140 37 mm 減小到0.124 78 mm；在垂直屏向內沖擊作用下，LCD 基板位移從4.824 3 mm減小到1.764 7 mm；在垂直屏向外沖擊作用下，LCD基板最大位移從3.6238 mm減小到0.595 65 mm。通過試驗證明，鋼化玻璃貼合加固方案可滿足19 inch LCD車載環境下的抗沖擊和抗振動要求。