手机结构与跌落有限元分析

在电子产品迅猛发展的今天，产品的碰撞问题是在经济建设和生产实际生活中经常大量遇到的。凡是有形的物质产品，如当今盛行的手机，便携式电脑，电子字典和一些其它的电子器件等等从投产开始，直到产品完全报废，总是在不经意时与它外界的物品发生碰撞，这是不可避免的。国家对电工电子产品的环境试验有严格的标准规定，其中一项重要试验项目就是自由跌落。为了能使自己的产品符合国家标准，生产厂家一般情况下都要对产品实物进行自由跌落试验，实物试验的缺点是：验后结论，即只有在试验完成后才知道设计是否有缺陷，而此时修改设计花费的时间和费用较高，不利于产品快速推向市场。有关研究表明，在新产品的研制过程中，约70％-80％的成本耗费于设计阶段。因为在这个过程中，存在着因产品设计存在缺陷而导致产品重复修改、甚至重新设计。工程技术人员常常因产品设计的修改不得不重新复核图纸并进行修正，而其他相关的支持部门（例如模具部门、自动化部门等等）也要作相应的动作来辅助设计部门进行修改，不仅耗费时间精力，而且造成产品成本上升、不能按时投放市场。因此，在电子产品开发阶段利用计算机仿真方法进行结构耐撞性的分析可以有效地提高产品的可靠性，降低开发成本，提高产品的市场竞争能力。在近年来，碰撞模拟技术发展非常迅速，由于有限元技术的应用使类似碰撞的结构分析更准确、更直观。有限元模型可以建立局部结构的力学分析模型，它能真实地描述结构的应力与变形。

将CAE仿真技术运用于手机从概念设计到细致设计的过程，能在设计的初期阶段预测整个产品和各个零、部件的设计要求是否符合国家对电工电子产品的环境试验的标准规定。而自由跌落作为通讯产品手机环境试验的一个重要试验项目，其属于实物试验，多在产品开发后期进行。运用有限元仿真技术可在手机模型设计初始、实物样机制造出来之前进行自由跌落响应分析，能够有效地发现设计缺陷。

手机有限元模型中单元类型的选择：一般来说，没有进行大量简化的手机有限元模型有大约50－70个零件，单元数大约为200K－300K左右。基于手机模型的特点，ANSYS软件中几乎所有的单元类型都被用上了，四面体单元用在那些要花费大量的时间和精力才能完成网格划分的实体模型上，但是尽量不要使用，否则尽量选择4节点或者16节点的四面体单元（特别对想要模拟零件弯曲变形情况的时候）；六面体单元和五面体单元一般都用来划分相对简单的几何模型（特别对于那些处于复杂应力状态下的零件）；对于壳体模型推荐用薄壳单元和厚壳单元来划分，对于薄壁零件推荐用薄壳单元，对于那些壳体零件粘附在一起的推荐多用厚壳单元来模拟；梁单元能够用来对简化后的电子元器件的焊脚连接进行模拟；刚性单元被大量的应用在零部件的连接中，例如：螺钉连接和卡扣连接；弹簧连接也是很有用的，它能够模拟两个零件之间存在预紧力的连接。

本文利用大型有限元分析软件ANSYS对一手机壳体模型实现了由UG中导入，并分析手机跌落模拟仿真过程中加强筋的厚度对手机壳体强度的影响。

1.算法分析和加强筋的作用

算法分析：碰撞是一个动态复杂过程，接触和高速冲击载荷影响着碰撞的全过程，系统具有几何非线性、材料非线性和碰撞边界非线性多重非线性。因此，对于手机外壳结构在冲击载荷下的瞬态动力学过程进行数值仿真,得到外壳在整个过程中的应力历程的数值算法一般都会采用显式积分求解算法。

加强筋在手机设计中的作用：加强筋是手机壳体设计中必不可少的部分，加强筋是一种经济实用的加强壳体强度和刚度的特征，加强筋还起到对装配中元器件定位的作用；对互相配合的部件起对齐的作用；对机构起止位和导向的作用。通过设计加强筋仅需要增加7％的材料，而通过增加壁厚却需要增加25％的材料。加强筋的设计涉及到厚度、高度、位置、数量、成型等五个方面。厚度很关键，太厚会引起对面的表面上有缩水和外观的问题。一般来说加强筋的厚度和手机壳体的厚度是有一定的关系的，即加强筋厚度＝壳体厚度的%。一般情况下，加强筋的数量都是以偶数出现的，本文为了得出不同厚度的加强筋对手机壳体强度和刚度的影响，对手机壳体上加强筋的数量进行了简化，只在碰撞区域加两个加强筋来作分析。

2.不同厚度的加强筋对手机壳体强度和刚度的影响

2.1仿真模型的建立

建立仿真分析模型是仿真的前提条件。这里利用CAD建模软件UG 建立了手机壳体模型。由于ANSYS能与UG无缝集成，它的前后处理功能强大，能识别CAD模型特征，自动进行网格划分和局部网格过渡。这样，就将手机壳体几何模型转化为供仿真分析的问题抽象模型。

2.2 有限元模型属性

为了真实地模拟手机跌落过程中手机壳体加强筋碰撞区域的情况,建立详细和准确的手机有限元模型是必要的，在本文的研究中,主要考虑的是不同厚度加强筋对手机壳体强度的影响，因此本文对手机整体模型做了大量的简化，模型中只建立手机的后壳，手机的前壳和其他部件整体简化为一块铝板，在仿真分析过程中通过刚性连接装配到后壳上。有限元模型主要采用四节点的壳单元进行网格划分（见图1）。

图1

由于加强筋厚度的不同，从而导致了手机壳体的节点数和单元数微有不同，结点数和单元数见表 1。手机壳体材料为PC/ABS，为塑料材料，为了简化计算，将它看作一般的弹塑性材料。整体跌落模型属性详见表 1。

表 1 手机跌落有限元整体模型属性表

2.3 模型分析

手机跌落到地面的过程，可以看成是其以一定的初始速度碰到刚性墙的过程，所以本文在有限元模型的下方设立一刚性墙，让模型以一定的初始速度撞向刚性墙。这个初始速度为物体自由下落1.2m 时的速度。接触类型采用了单向接触（One-Way Contact）中的*Contact_Automatic_Nodes_To_Surface，在接触分析中，由于问题的复杂性，判断接触发生的方向有时是很困难的，因此分析中应尽量使用自动接触（不需要人工干预接触方向）。相互接触的两个面，其地位是不相等的，一个被成为“主”，另一个被称谓“从”。这里把刚性墙设置为“主”，将其简化为一直线，手机简化模型设置为“从”。

无加强筋和有不同厚度加强筋的手机壳体在经软件分析计算后的最大应变如表2所示，需要说明的是该最大变形量必须是在特定的撞击状态下才会产生，即碰撞区域必须发生在手机外壳的加强筋设计区域，由于篇幅所限下面只给出rib thickness=stX50%和无加强筋时的应力图，如下图2和图3所示。 

表 2  有不同厚度加强筋和无加强筋的手机壳体最大应变

图2

图3

2.4仿真结果分析

从分析的结果可以得出手机壳体通过增加加强筋是可以提高其强度的，而对于具有不同厚度加强筋的手机壳体分析是从加强筋厚度＝壳体厚度的30％开始的，到加强筋厚度＝壳体厚度的100％结束，其中数据采样间隔为10％，从分析结果来看，当加强筋厚度＝壳体厚度的50％时，相对于加强筋厚度＝壳体厚度的40％时，其形变值减小最大；而当加强筋厚度＝壳体厚度的80％以后时，其形变量减小趋于缓慢。同时考虑到注塑成型的工艺性要求，所以建议对于手机壳体材料为PC/ABS，手机壳体壁厚<=1.5mm的时候，加强筋厚度设计通用参考：壳体厚度的50％<=加强筋厚度<=壳体厚度的70％。从以上两幅图对比还可以看出，加强筋区域会产生应力集中，加强筋会将形变传递给与之相连的零件，使其可能受到破坏，而起到保护其周边零件的作用。所以建议加强筋区域通常要选择在距离主板上主要元器件比较远的地方。

3 结论

本文通过深入分析无加强筋和有不同厚度的加强筋对手机壳体强度和刚度的影响，得出利用CAE工具，对产品的自由跌落状况进行仿真的结果。通过对仿真结果数据进行了客观的对比和分析，不仅能够为工程师在手机模型概念设计初始就提供参考，而且对以后的改型也提供一定的依据。使得此类相关的电子产品在样机制作出来之前即可预知设计是否存在缺陷，可及时修改设计，为设计的最终产品能够通过国家关于产品环境试验的标准规定打下坚实的基础。不仅提高了产品质量，而且也加速产品开发过程，同时也可以降低产品的成本。

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