基于有限元仿真的大屏幕超薄手机抗跌落研究

摘要：在手机结构设计中针对大屏幕超薄手机抗跌落冲击能力差的弱点，对其结构进行优化。运用　Ansys　/Ls-Dyna软件对其进行模拟跌落仿真，得到手机触摸屏和LCD在不同工况跌落时的应力情况，通过对比分析优化设计的可行性，并与实际的手机跌落试验进行比较，验证了仿真分析的准确性。

关键词：手机跌落仿真跌落优化设计 Ansys/Ls-Dyna 大屏幕超薄手机

中图分类号：O347.3 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）11-0089-02

近年来由于显示技术与触摸控制技术的大力发展，使得大屏幕触摸屏超薄智能手机逐渐变成市场主流。这类手机在结构上所具有的特征有：（1）大尺寸LCD。尺寸都达到3.5英寸以上，厚度却逐渐下降到2mm以下。（2）大尺寸电容式触摸屏。随着苹果公司2007年首先量产配备电容式触摸屏的手机，这种以玻璃为表面材料的触摸屏逐渐成为主流。基本的结构是钢化玻璃+ITO玻璃双层叠加，总厚度在1.2mm以下。（3）整机厚度薄。由于屏幕尺寸变大，综合外观设计和方便携带的考虑，目前主流的厚度已经减至10mm以下。（4）重量重。由于智能机功能丰富，所以CPU耗电较大，为保持待机时间，必须使用大容量的电池。而且由于产品使用的触摸屏和LCD模组都以密度较大的玻璃为主要材料，整机的重量一般都在130g以上。

以上几点，使得这类大屏幕超薄手机在受到冲击后失效比例要远远大于普通机型。据SquareTrade公司公布的2011年内返修数据中指出，苹果四代手机2011年返修记录中有82%是触摸屏和LCD的碎裂。为了有效地减少产品开发时间和开发成本，将CAE仿真技术运用于手机结构设计的过程中，能在设计的初期阶段预测整个产品和各个零部件的设计是否符合国家对电工电子产品的环境试验的标准规定，有效减少产品开发周期，为企业节约了成本。

本文使用Ansys/　Ls-Dyna的有限元分析软件针对几种设计优化方法进行验证得出金属模内注塑方式对于减少LCD和触摸屏破损是最优优化方案，并通过实验进行验证[1]。

1、手机结构以及抗跌落优化方法

1.1　手机结构介绍

本课题使用机型尺寸为120x65mm，厚度为11.5mm，重量为150g，和目前主流的尺寸接近，结构也使用较常规的结构，有比较强的代表性。本机型使用的是4.3英寸的电容式触摸屏，厚度1.2mm，结构是表层钢化玻璃+电容感应片玻璃，触摸屏使用0.17mm厚度的双面胶紧密的粘贴在塑料前壳上。LCD模组主要结构是液晶玻璃加背光板支架。主板部分由PCB板、贴片的电子器件以及部分金属屏蔽罩构成。后壳和前壳以及电池盖由强度较高的工程塑料构成。

1.2　跌落试验结果分析

结合国家标准，以及实际的使用情况，在本研究课题中所采用以下实验方法[2]：

试验表面为大理石地面；跌落高度为1200mm（开机状态）；跌落位置为10点跌落（4角6面）。每个点跌两次，每次跌落后都需要检查功能及外观。测试样品数为3台，使用SLS选择性激光烧结制作的模型机。结果如下图1所示，1号样机在跌落该角处，出现触摸屏碎裂。可以看到角落处的壳体有清晰的撞击痕，已经造成壳体的轻微磨损，并且由于壳体收到撞击，将动能传递到触摸屏，造成触摸屏的角部边缘碎裂。这类失效是属于严重功能失效，应完全避免。

1.3　抗跌落优化方法

由于LCD和触摸屏都是玻璃材质的，玻璃是典型的脆性材料[3]，其应力应变关系呈线性关系直至破坏，没有屈服极限，玻璃在它的应力峰值区，不能产生屈服而重新分布。一旦强度超过则立即发生破坏。并且，玻璃由于其材料特性，不可避免的在边缘会有细微的裂痕，导致它的实际强度远小于理论断裂强度，所以在设计时要尽量运用保守设计。对于实验中产生的跌落失效，分析其主要原因是因为机壳的强度不够。在跌落的时候，整机有很大的变形，压迫到触摸屏，导致局部的触摸屏应力集中所致。所以优化方法是加强前壳的刚性，提高刚性的方法有如下几种：

（1）使用抗冲击性能比较好的塑料原料。目前比较常用的高强度PC有Sabic　LEXAN EXL1414，奇美PC110，拜耳makrolon　2405等，这些PC料的抗冲击强度都是较好，ISO527测试标准下的屈服强度都能达到60Mpa左右，从性价比方面考虑推荐使用奇美PC110。

（2）使用较厚的壳体壁厚，但是需要综合考虑整机的厚度，不能使整机厚度超过标准。壁厚一般从0.9-1.3mm内选择。我们在后面的有限元分析中计算0.9mm（初始设计）以及1.1mm和1.3mm。

（3）使用金属结构辅强。使用模内注塑的方式使用不锈钢片结构件进行加强。模内注塑工艺，就是将金属或其他材料先通过钣金，冲压等方式成型好，再放入注塑模内，和塑胶一起熔融成型的一种成型方式。它的特点是：1）金属件和塑胶件之间结合好。2）比用其他装配方式更有工作效率，节约了成本。3）节省空间，金属和塑料结合后具备很强的韧性。

由模内嵌件注塑工艺进行设计的前壳如下图2所示，我们将0.5mm的不锈钢片周边进行翻边，形成连续L型结构，再放入前壳的侧面进行注塑。

2、跌落试验仿真分析

2.1　仿真模型的简化

仿真所涉及的3D模型均先在Pro/engineer中完成，首先要在Pro/engineer软件中对手机整体进行简化。简化主板结构，去除PCB表面的电子元件。因为需要重点考察的是屏幕侧前半部分的失效变形，不考虑前后壳卡扣以及电池盖卡扣的受力情况，所以对前后壳之间的连接、后壳和电池盖之间的连接都进行了简化。

2.2　仿真模型的离散

对与前壳、后壳、触摸屏、金属框架、主板等部件由于需要精确的计算结果，而其形状都比较复杂，所以均应用4面体单元，都采用十节点的二次四面体单元3D-Tet　Solid168。高阶单元的曲线或曲面边界能够更好地逼近结构的曲线或曲面边界，且高次插值函数可更高精度地逼近复杂场函数，具有比较好的计算精度。而对于电池这种密度、刚性都很大的部件采用3D　solid164单元，减少计算时间。

根据精度要求不同，各部件设置不同的单元长度。前后壳的单元长度为2.5mm，离散后单元总数22145个。触摸屏单元长度为3.5mm，单元总数为7557。电池使用单元长度为3.5mm，离散后单元总数1943个。主板和LCD的单元长度也都为3.5，单元总数分别为6146和3477。金属框架的单元长度为2.5mm，单元总数为3822。

2.3　手机部件的材料属性

仿真计算需要对各部件进行材料定义。属性列表如表1。

2.4　手机部件的接触

前壳和后壳的连接在结构上是使用4颗螺丝以及侧边六个卡扣固定，结合十分可靠，在实际跌落试验时也没有发生脱开的现象，所以在这里我们在Ansys里使用布尔运算命令Glue将前后壳在4个螺丝柱处固定在一起。Glue粘结操作是将多个图元组合成一个连续体，图元之间仅在公共边界处相连，其公共边界的维数低于原始图元一维。粘结操作与加操作类似，但不同的是这些图元之间仍然相互独立，只是在边界上连接。触摸屏与前壳之间，不锈钢框架和前壳之间结合，都是被认为有效可靠的，所以在这里都使用Glue的形态模拟。电池，LCD，主板在手机内部都是使用内部筋位固定的方式，跌落时在机壳内是自由的状态。所以在定义接触的时候使用自动单面接触。

3、有限元分析结果以及优化方案的选择

3.1　跌落角度

对于跌落方向，由于我们之前对样机进行了一系列的测试，所以得知在如图3所示方向时很容易造成触摸屏破裂。所以在有限元模拟上，我们针对此角度进行计算。

在LS-DYNA内，分别进行4种模型的跌落模拟，在LS-PREPOST内观察跌落过程中的Von　Mises　Stress云图，并记录最大应力值。

3.2　有限元分析结果（见表2）

没有优化前的设计中，触摸屏受到的最大应力达到350MPa。在对壳体进行优化后，将壳体壁厚加厚到1.1mm和1.3mm，触摸屏受到的应力分别下降了9%和15%。使用模内注塑技术的结构，触摸屏所受最大应力都明显小于普通注塑工艺的，下降了110Mpa，幅度达到了30%。对于LCD从表上可以看出，因为跌落角度的问题，在这个跌落位置上，增加前壳的刚性对LCD的保护作用不大。

所以综合评估，使用模内注塑工艺是最优方案，用0.5mm的不锈钢片既减少了整体厚度，又提高了整体强度。在外观工业设计和结构强度设计的平衡上找到了突破点。

3.3　实物跌落试验与仿真试验结果对比

最终使用模内注塑工艺开模，取得模具品后进行了测试。测试3台样机，各按要求进行测试，都成功通过测试，没有造成触摸屏损坏以及其他功能性不良。

4、结语

（1）在超薄大屏幕手机设计中，为减少跌落冲击对于LCD和触摸屏的损害，使用模内注塑金属片提高整机强度的方式，是被证实有效的。并且使用这种方式可以有效减少整机厚度，获得更好的外观效果。

（2）使用有限元软件进行优化设计可以在开发阶段就可以选择正确的优化方法，缩短产品设计的时间，降低了开发成本。

参考文献

[1]赵海鸥.LS-DYNA动力分析指南[M].北京：兵器出版社，2003.

[2]电工电子产品环境试验国家标准汇编（第二版）[S].北京：中国标准出版社，2001.

[3]安二峰，李磊，杨军.典型玻璃材料冲击力学性能研究[J].北京理工大学学报，2010，30（2）：127-130.