2023年12月10日发(作者：中国将于2023年1月3日)

全尺寸手机跌落的LS-DYNA数值模拟

李旦;赵廷渝;王永虎

【摘 要】采用基于ANSYS/LS-DYNA的产品跌落仿真方法,对华为荣耀8全尺寸手机跌落过程进行数值模拟,通过选取手机冲击区内三个网格单元和三个节点,得到手机网格与节点处有效应力、材料变形、速度与加速度响应等动态特性,结果表明:在2 ms的垂直跌落过程中,最大应力在0.9 ms时取得,达到2.2×107 Pa,且位于冲击区圆角处.由此可推断手机的易损位置,以对质量问题进行改进,进一步缩短电子产品开发周期,节约成本,为产品造型和工艺参数优化提供一定的技术参考.

【期刊名称】《宜宾学院学报》

【年(卷),期】2017(017)012

【总页数】4页(P28-31)

【关键词】结构强度;数值模拟;动态特性;产品造型

【作 者】李旦;赵廷渝;王永虎

【作者单位】中国民用航空飞行学院飞行技术学院,四川广汉618307;中国民用航空飞行学院飞行技术学院,四川广汉618307;中国民用航空飞行学院飞行技术学院,四川广汉618307

【正文语种】中 文

【中图分类】TP391.9

近年来，大屏幕智能手机成为市场主流，但屏幕尺寸增大同时带来了触摸屏玻璃易裂、功能易受损等问题，因此，手机结构强度设计成为真机设计的重要内容.且人们对电子产品的性能提出了更高的要求，例如使用轻巧、系统稳定、操作可靠等，这也使得进一步对电子产品性能研究分析显得相当重要.随着手机、电脑等诸多电子产品市场竞争日趋激烈，制造商为了短时间内得到销售市场，同时缩短产品研发周期与开发成本，一般采用CAE技术对电子产品进行性能分析.在现代生活中，人们使用的手机普遍具有移动性与便携性等特点，所以使用环境相比固定电子产品更为复杂，恶劣[1].人们在手机使用时，偶尔会遇到手机跌落的情况，如果手机与坚硬物体面发生碰撞，极有可能导致手机屏裂、壳裂、芯片脱焊开裂等严重后果，因此，制造商将手机跌落试验作为可靠性试验研究中相当重要的一部分内容进行分析.

目前，由跌落或撞击所导致的手机壳体机械冲击是手机主要的破坏方式，因此，手机结构强度设计将直接影响其本身的抗冲击性能、使用寿命与耐用性.随着计算机仿真技术广泛应用于工程实际问题，大量学者开始利用ANSYS/LS-DYNA软件对手机跌落过程进行数值模拟分析，相比理论计算方法，此种分析具有明显的优越性.其中，熊建友等[2]利用ANSYS/LS-DYNA对手机跌落进行仿真，获得应力、变形随时间变化结果；韩克明等[3]对手机触摸屏抗跌落进行仿真分析，得到跌落过程中触摸屏受力情况；占智贵等[4]对手机主摄像头跌落仿真和优化设计，得出高加速度下产生的碰撞力是导致蓝玻璃开裂的根本原因.以上的手机跌落分析集中于对手机主要部件的仿真研究，例如触摸屏、电池板受力情况，且大部分仿真采用缩比模型，导致仿真结果存在一定的误差.对此，本文建立了荣耀8全尺寸手机模型，改进以往仿真研究中存在的不足[5]，以期为手机产品的优化提供理论参考.

1 ANSYS/LS-DYNA简介

目前，LS-DYNA程序可供选择的金属和非金属材料模型有140多种，为数值模拟提供了重要的模型参数.LS-DYNA可处理各类复杂的非线性问题，例如高速冲击、爆炸以及结构撞击等动态非线性问题[6].由于LS-DYNA能够模拟各种实体结构、壳结构等，在处理分析大位移、大转动以及大应变问题时计算速度快，计算结果精确，因此，被广泛应用于工程实际领域.

LS-DYNA一般采用瞬态动力学分析手机跌落问题，求解器以显示为主，最终获得冲击载荷作用下手机节点位移、网格单元应力、节点速度以及加速度随时间变化等计算结果.动力分析时采用中心差分法，中心差分法是条件稳定算法，保持稳定状态需要相对较小的时间步长，这些特点对非线性分析具有重要的意义[7].采用中心差分法来进行动态问题的时域积分，则有如下位移、速度和加速度关系式：

式中u(i-1)为(i-1)时刻的位移.从公式（1）中可以看出，当前时刻的位移只与前一时刻的加速度和位移有关，这就意味着当前时刻的位移求解无需迭代过程.另外，只要将运动过程中的质量矩阵和阻尼矩阵对角化，就可以省去对质量矩阵与阻尼矩阵的求逆运算，前一时刻的加速度求解无需解联立方程组，从而使问题大大简化，由于弹性项放在内力中，利用矩阵乘法可得等效载荷向量，因此，计算效率很高.数值模拟手机跌落问题时，时间步长必须小于临界时间步长，临界时间步长公式如下：

其中ωn为系统的最高阶固有振动频率.当特征值方程时，便可求得ωn.

2 数值建模

由于LS-DYNA整合了ANSYS前、后处理功能，且其前处理功能可对简单模型直接进行建模造型，并进行几何清理与网格划分，通过参数设置和计算求解，最终得到数值模拟手机跌落时应力应变云图、速度以及加速度响应等数据结果[8].

2.1 建立手机模型

根据华为荣耀8手机的实际参数，建立如图2所示的模型，其机身长度145.5

mm，宽度71.0 mm，厚度7.45 mm，机身重量约153 g.为了节约计算成本，对模型进行了简化，简化为三个部分，采用统一的协调单位和材料参数.手机屏幕与后盖采用SOLID164六面体实体单元，网格单元尺寸0.8 mm，最小单元尺寸0.1

mm，塑胶壳体模内五金嵌件、显示屏支架以及电池等采用SHELL163四边形壳单元，网格单元尺寸1 mm，手机本身结构决定了对其进行网格划分较为复杂.网格划分是有限元分析的基础，网格质量的好坏将直接影响计算效率和结果准确性，如果网格单元尺寸相差较大，可能会使时间步长变得较小，因此，本文采用自动设定与统一设定网格划分两种方式，根据手机不同部件划分不同的网格尺寸，保证网格单元大小尽量均匀[9].

图1 手机网格模型

2.2 手机材料设置

手机前壳和中框主要用于内部各部件安装定位，由于手机体积有所限制，因此，其特征非常复杂.制作手机时可供选择的材料种类很多，例如PC、ABS、PC+ABS、POM、PMMA、TPU、RUBBER以及最新出现的材料PC+玻纤和尼龙+玻纤等.华为荣耀8手机屏幕材质类型采用低温多晶硅技术（LTPS），手机壳体采用PC+ABS塑料，触摸屏材料属性根据LCD屏幕属性进行设置[10].在ANSYS建模初期材料设置时，Material Models选择线性linear，再选择弹性elastic，最后选择各向同性isotropic，材料密度设为1 200 kg/m3，泊松比设为0.35，跌落平台设置为刚性材料，密度设为2 700 kg/m3，泊松比设为0.3.国家标准规定物理跌落试验的跌落平台表面应是平滑、坚硬的刚性表面，且平台重量至少为手机重量的50倍以上，因此，本文将跌落平台的材料属性设置为刚性材料，以满足标准的跌落试验要求[11].

2.3 边界条件设置

对手机的初速度、边界条件、接触类型及约束条件等参数进行设置，从而确定一个比较完整的工况.手机与跌落平台之间不能有初始的接触，为了减少跌落距离过高导致计算机求解时间增大的影响，手机与跌落平台之间的法向距离设为1 cm，跌落平台选择面约束，限制其X、Y、Z三个坐标轴上的转动与移动自由度，使其在冲击后保持原有状态，同时，由于主要考虑手机垂直方向的冲击载荷，因此，不能限制X与Y轴移动自由度，其余自由度都需进行限制，手机模型边界示意图如图2所示.

图2 模型边界示意图

3 数值模拟结果及分析

通过LS-DYNA求解器计算处理，最终获得手机跌落过程中冲击区域的应力应变云图.同时，还可获得碰撞区域模型变形量、材料性能变化、节点速度以及加速度响应等动态特性.本文主要对手机应力应变云图、有效应力、节点速度以及加速度变化历程进行分析，通过上述数据结果反复修改模型参数，优化手机及其缓冲包装结构及尺寸，设计出合理的产品结构和缓冲包装[12].

3.1 应力图分析

通过对模拟得到的加速度、变形、应力及应变云图等进行研究，可为手机结构设计及包装保护工作提供一定的数值依据.

选取T=1 ms时刻应力应变云图进行分析，其应力应变云图如图3所示.

图3（a）为手机后盖等效应力云图，可以看出，此时手机网格模型发生明显变形，从等效应力云图颜色上可以明显观察到，手机与跌落平台冲击区冲击载荷最大，手机顶部承受冲击载荷较大.图3（b）为手机屏幕等效应力云图，由于屏幕网格划分较为复杂，因此，碰撞区域网格变形更为明显，通过观察该时刻应力图颜色可得，手机与跌落平台之间冲击载荷最大，其余区域所受冲击载荷较小[13].从宏观角度对等效应力云图进行把握，在手机模型设计初期，可将冲击载荷大的位置加厚，也可在此位置安装加强筋或缓冲包装结构，使得手机外壳能够抵抗冲击载荷的作用，保证手机外壳不会受到损坏. 图3 手机等效应变云图

为了准确分析手机冲击跌落平台时有效应力变化历程，选择三个位置不同的网格单元，经过数据处理得到单元有效应力随时间变化曲线，如图4所示.

图4 单元有效应力变化历程

从图4可以看出，在0.9 ms时刻后三个网格单元有效应力瞬间增大，由于3718单元在冲击区域中心位置，因此，B曲线中有效应力首先达到峰值，达到2.2×107Pa，其余两个单元应力增幅相对而言较小，最大时达到1.15×107Pa.

3.2 节点速度、加速度响应分析

选取手机与跌落平台冲击区之间三个节点作为研究对象，如图5所示，通过求解处理节点处速度、加速度具体数值大小，得到节点速度、加速度随时间变化历程，可以利用曲线中数据特点多次修改手机模型参数，这将为手机强度校核与优化设计提供一定的技术参考[14].

图5 手机碰撞区节点号

在后处理软件LS-PREPOST中经过滤波处理，得到碰撞区域三个节点速度变化历程，如图6所示.从图6可以看出，手机与跌落平台碰撞时三个节点速度在0.9～1.35 ms数值变化最大，表明该时间段内手机承受的冲击力最为剧烈，根据上述速度最大值将手机抗冲击性能进行设计，使其满足要求，从而使手机承受住该时间段内的冲击[15].

图6 节点速度变化历程

从图7可看出，T=0.9 ms时刻开始，三个节点加速度开始频繁变化，节点1239与1109加速度响应更为明显，且加速度峰值达到4×104m/s2.在1.3 ms之后变化趋势逐渐缓和，这就说明数值模拟初期设置终止时间为2 ms满足分析要求.通过不同工况下仿真结果可以看出，手机承受的冲击载荷与跌落姿态有直接关系，该结果与真机跌落试验得到的结论基本吻合[16].通过对数值模拟手机跌落过程进行分析，可发现手机结构中易损位置，为初期模型开发设计及模型改造提供了参考依据.

4 结语

图7 加速度随时间变化历程

本文采用LS-DYNA数值模拟手机跌落问题，尽管该方法在工程实际中已经应用多年，但与真机实际跌落情况仍然存在差异.通过对手机材料、网格划分、碰撞区节点单元选取等前期工作进行优化设计，不仅能保证仿真过程有效，还可通过观察节点处的受力、变形、加速度等动态特性更加准确地进行量化分析，从而缩小仿真结果与实际跌落情况的差值，进一步提高仿真结果准确性.同时，经过分析手机模型受冲击后节点处变形结果，可对提高手机材料抗跌落性能展开研究.通过整合不同工况下数值模拟手机跌落积累的大量经验与数据结果，可以大幅度提高手机可靠性要求，确保手机出厂后满足抗冲击性能要求.

参考文献：

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[3]韩克明,孙志刚,林墨洲.手机触摸屏抗跌落仿真分析[J].计算机辅助工程,2013(A02):418-420.

[4]占智贵,刘明建.手机主摄像头跌落仿真和优化设计[J].计算机辅助工程,2015(2):59-62.

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