張彬　高強(qiáng)

摘 要：筆記本電腦的損壞大部分是由于跌落沖擊造成的，該文對(duì)某型號(hào)的筆記本電腦進(jìn)行了實(shí)體建模并進(jìn)行有限元分析，模擬筆記本電腦在不同情況下的跌落實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作對(duì)比，證明了本方法的有效性。

關(guān)鍵詞：筆記本電腦 跌落仿真 ANSYS

中圖分類號(hào)：TB485 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）02（a）-0075-02

筆記本電腦在各種各樣的沖擊環(huán)境中，跌落是導(dǎo)致產(chǎn)品破損的最關(guān)鍵因素，因?yàn)榈錄_擊最為激烈。所以不管是消費(fèi)者還是設(shè)計(jì)人員最關(guān)注的就是產(chǎn)品的跌落沖擊。它們的破損大多數(shù)是由于跌落沖擊引起的。因此對(duì)于筆記本電腦的關(guān)鍵零配件和帶包裝的筆記本電腦動(dòng)力學(xué)性能研究文獻(xiàn)有不少，王亮等進(jìn)行了基于ANSYS/LS-DYNA的電源適配器外殼耐鋼球撞擊性的分析，研究了不明外物對(duì)電源適配器的撞擊是否會(huì)對(duì)使用者的安全構(gòu)成威脅[1]。宋日恒等進(jìn)行了基于ANSYS的筆記本電腦包裝件跌落仿真研究，建立了瓦楞紙箱、緩沖墊和筆記本電腦的有限元模型，模擬實(shí)際的運(yùn)輸流通環(huán)境和倉(cāng)庫(kù)堆碼環(huán)境下對(duì)模型進(jìn)行跌落試驗(yàn)，得到筆記本電腦在不同條件下跌落的受力情況[2]。陸維生等進(jìn)行了基于ANSYS/LS- DYNA的PCB板跌落仿真，分析了跌落高度和緩沖墊對(duì)電子機(jī)箱上的印刷電路板動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響[3]。綜上可知，對(duì)于不帶包裝的筆記本電腦的跌落分析，還未見相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表

本研究通過三維建模軟件Unigraphi

cs（NX）建立產(chǎn)品三維模型，并進(jìn)行有限元分析，模擬用戶在使用過程中不同形式的跌落工況，從而求得筆記本電腦在不同角度跌落時(shí)所受的應(yīng)力應(yīng)變情況。通過模擬實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果，對(duì)于新開發(fā)產(chǎn)品采取不同的防范措施來達(dá)到最大程度地降低產(chǎn)品破損率[4]。

1 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析（亦稱時(shí)間歷程分析）是用于確定承受任意的隨時(shí)間變化載荷結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的一種方法?？梢杂盟矐B(tài)動(dòng)力學(xué)分析確定結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)載荷，瞬態(tài)載荷和簡(jiǎn)諧載荷的隨意組合作用下的隨時(shí)間變化的位移，應(yīng)變，應(yīng)力及力。首先通過模態(tài)分析計(jì)算出系統(tǒng)的固態(tài)頻率，然后通過瑞利（Rayleigh）阻尼常數(shù)α和β確定M及K值。

式中：M、C、K分別為筆記本的質(zhì)量、阻尼及剛度矩陣。分別為節(jié)點(diǎn)加速度向量、速度向量、位移向量。

在任意給定的時(shí)間t，這些方程可以看作是一系列考慮了慣性力和阻尼力的靜力學(xué)平衡方程。ANSYS程序使用Newmark的時(shí)間積分方法在離散點(diǎn)上求解這些方程。

2 筆記本跌落仿真分析

2.1 筆記本有限元模型的建立

筆記本的三維幾何模型是在NX中建立的，它包括液晶顯示器部分，系統(tǒng)部分，如圖1所示，將模型導(dǎo)入ANSYS，進(jìn)行有限元分析。筆記本所選材料的屬性見（表1）。對(duì)筆記本的網(wǎng)絡(luò)劃分采用智能劃分方式，特別是對(duì)角落部分進(jìn)行了加密處理[5]。劃分網(wǎng)格結(jié)束后的有限元模型表見表2，效果如圖2所示。

2.2 加載條件及后處理

此部分要設(shè)定跌落的初始條件，如：跌落的高度，跌落方向和初始速度等。跌落的模擬圖如（圖3）所示，我們以某個(gè)側(cè)邊落地為例，跌落的兩個(gè)主要因素：跌落高度h及跌落時(shí)與地面的夾角θ。跌落的高度，參考企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及日常使用，大部分電腦桌的桌面離地0.75 m，所以設(shè)定跌落高度h為0.75 m。跌落的角度θ不同造成的損壞程度也有不同，受于篇幅限制，本文只闡述損壞最為嚴(yán)重的情況，即當(dāng)θ=45時(shí)的情況。

根據(jù)物體自由落體運(yùn)動(dòng)方程：

可以計(jì)算得出筆記本電腦在落地瞬間速度為3.8 m/s，經(jīng)過計(jì)算，碰撞后的應(yīng)變及應(yīng)力圖分別如（圖4，5）所示，最大彈性應(yīng)變值為1.8×10-6m，發(fā)生在跌落的角落。最大彈性應(yīng)力值為：23.5 Mpa，出現(xiàn)在與地面接觸的角落，應(yīng)力值在外殼用材質(zhì)的應(yīng)力范圍內(nèi)，依然屬于彈性變化。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過ANSYS對(duì)筆記本電腦的跌落作了動(dòng)態(tài)模擬，分析了電腦的整體變形和受力情況，通過該分析可以對(duì)產(chǎn)品提出不同的優(yōu)化方案，從而減少新產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間，同時(shí)還可以減少開發(fā)費(fèi)用，避免了破壞性測(cè)試帶來的不必要損失。值得指出的是，本文在研究中對(duì)筆記本電腦的零部件的結(jié)構(gòu)，外觀，及結(jié)合處理進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，因此有一定的局限性。

參考文獻(xiàn)

[1] 王亮.基于ANSYS/LS-DYNA 的電源適配器外殼耐鋼球撞擊性的分析[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，2008，35（7）

[2] 宋日恒，張治國(guó).基于ANASYS的筆記本電腦包裝件跌落仿真研究[J].浙江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，21（4）.

[3] 陸維生，馮志華，鄒甲軍.基于ANSYS/LS-DYNA的PCB板跌落仿真[J].蘇州大學(xué)學(xué)報(bào)（工科版），2006，26（1）.

[4] 倪正順，帥詞俊.CAE方法中的優(yōu)化技術(shù)及應(yīng)用[J].現(xiàn)代機(jī)械，2002（2）.

[5] 熊建友，辛勇，揭小平，等.ANSYS/LS-DYNA在跌落仿真中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)輔助工程，2003（6）.

[6] WANG Y Y，LU C，LI J，et al.Simulation o f drop impact reliability for electronic devices[J].Finite Elements in Analysis and Design，2005（41）：667-680.endprint

摘 要：筆記本電腦的損壞大部分是由于跌落沖擊造成的，該文對(duì)某型號(hào)的筆記本電腦進(jìn)行了實(shí)體建模并進(jìn)行有限元分析，模擬筆記本電腦在不同情況下的跌落實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作對(duì)比，證明了本方法的有效性。

關(guān)鍵詞：筆記本電腦 跌落仿真 ANSYS

中圖分類號(hào)：TB485 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）02（a）-0075-02

筆記本電腦在各種各樣的沖擊環(huán)境中，跌落是導(dǎo)致產(chǎn)品破損的最關(guān)鍵因素，因?yàn)榈錄_擊最為激烈。所以不管是消費(fèi)者還是設(shè)計(jì)人員最關(guān)注的就是產(chǎn)品的跌落沖擊。它們的破損大多數(shù)是由于跌落沖擊引起的。因此對(duì)于筆記本電腦的關(guān)鍵零配件和帶包裝的筆記本電腦動(dòng)力學(xué)性能研究文獻(xiàn)有不少，王亮等進(jìn)行了基于ANSYS/LS-DYNA的電源適配器外殼耐鋼球撞擊性的分析，研究了不明外物對(duì)電源適配器的撞擊是否會(huì)對(duì)使用者的安全構(gòu)成威脅[1]。宋日恒等進(jìn)行了基于ANSYS的筆記本電腦包裝件跌落仿真研究，建立了瓦楞紙箱、緩沖墊和筆記本電腦的有限元模型，模擬實(shí)際的運(yùn)輸流通環(huán)境和倉(cāng)庫(kù)堆碼環(huán)境下對(duì)模型進(jìn)行跌落試驗(yàn)，得到筆記本電腦在不同條件下跌落的受力情況[2]。陸維生等進(jìn)行了基于ANSYS/LS- DYNA的PCB板跌落仿真，分析了跌落高度和緩沖墊對(duì)電子機(jī)箱上的印刷電路板動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響[3]。綜上可知，對(duì)于不帶包裝的筆記本電腦的跌落分析，還未見相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表

本研究通過三維建模軟件Unigraphi

cs（NX）建立產(chǎn)品三維模型，并進(jìn)行有限元分析，模擬用戶在使用過程中不同形式的跌落工況，從而求得筆記本電腦在不同角度跌落時(shí)所受的應(yīng)力應(yīng)變情況。通過模擬實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果，對(duì)于新開發(fā)產(chǎn)品采取不同的防范措施來達(dá)到最大程度地降低產(chǎn)品破損率[4]。

1 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析（亦稱時(shí)間歷程分析）是用于確定承受任意的隨時(shí)間變化載荷結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的一種方法。可以用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析確定結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)載荷，瞬態(tài)載荷和簡(jiǎn)諧載荷的隨意組合作用下的隨時(shí)間變化的位移，應(yīng)變，應(yīng)力及力。首先通過模態(tài)分析計(jì)算出系統(tǒng)的固態(tài)頻率，然后通過瑞利（Rayleigh）阻尼常數(shù)α和β確定M及K值。

式中：M、C、K分別為筆記本的質(zhì)量、阻尼及剛度矩陣。分別為節(jié)點(diǎn)加速度向量、速度向量、位移向量。

在任意給定的時(shí)間t，這些方程可以看作是一系列考慮了慣性力和阻尼力的靜力學(xué)平衡方程。ANSYS程序使用Newmark的時(shí)間積分方法在離散點(diǎn)上求解這些方程。

2 筆記本跌落仿真分析

2.1 筆記本有限元模型的建立

筆記本的三維幾何模型是在NX中建立的，它包括液晶顯示器部分，系統(tǒng)部分，如圖1所示，將模型導(dǎo)入ANSYS，進(jìn)行有限元分析。筆記本所選材料的屬性見（表1）。對(duì)筆記本的網(wǎng)絡(luò)劃分采用智能劃分方式，特別是對(duì)角落部分進(jìn)行了加密處理[5]。劃分網(wǎng)格結(jié)束后的有限元模型表見表2，效果如圖2所示。

2.2 加載條件及后處理

此部分要設(shè)定跌落的初始條件，如：跌落的高度，跌落方向和初始速度等。跌落的模擬圖如（圖3）所示，我們以某個(gè)側(cè)邊落地為例，跌落的兩個(gè)主要因素：跌落高度h及跌落時(shí)與地面的夾角θ。跌落的高度，參考企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及日常使用，大部分電腦桌的桌面離地0.75 m，所以設(shè)定跌落高度h為0.75 m。跌落的角度θ不同造成的損壞程度也有不同，受于篇幅限制，本文只闡述損壞最為嚴(yán)重的情況，即當(dāng)θ=45時(shí)的情況。

根據(jù)物體自由落體運(yùn)動(dòng)方程：

可以計(jì)算得出筆記本電腦在落地瞬間速度為3.8 m/s，經(jīng)過計(jì)算，碰撞后的應(yīng)變及應(yīng)力圖分別如（圖4，5）所示，最大彈性應(yīng)變值為1.8×10-6m，發(fā)生在跌落的角落。最大彈性應(yīng)力值為：23.5 Mpa，出現(xiàn)在與地面接觸的角落，應(yīng)力值在外殼用材質(zhì)的應(yīng)力范圍內(nèi)，依然屬于彈性變化。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過ANSYS對(duì)筆記本電腦的跌落作了動(dòng)態(tài)模擬，分析了電腦的整體變形和受力情況，通過該分析可以對(duì)產(chǎn)品提出不同的優(yōu)化方案，從而減少新產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間，同時(shí)還可以減少開發(fā)費(fèi)用，避免了破壞性測(cè)試帶來的不必要損失。值得指出的是，本文在研究中對(duì)筆記本電腦的零部件的結(jié)構(gòu)，外觀，及結(jié)合處理進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，因此有一定的局限性。

參考文獻(xiàn)

[1] 王亮.基于ANSYS/LS-DYNA 的電源適配器外殼耐鋼球撞擊性的分析[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，2008，35（7）

[2] 宋日恒，張治國(guó).基于ANASYS的筆記本電腦包裝件跌落仿真研究[J].浙江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，21（4）.

[3] 陸維生，馮志華，鄒甲軍.基于ANSYS/LS-DYNA的PCB板跌落仿真[J].蘇州大學(xué)學(xué)報(bào)（工科版），2006，26（1）.

[4] 倪正順，帥詞俊.CAE方法中的優(yōu)化技術(shù)及應(yīng)用[J].現(xiàn)代機(jī)械，2002（2）.

[5] 熊建友，辛勇，揭小平，等.ANSYS/LS-DYNA在跌落仿真中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)輔助工程，2003（6）.

[6] WANG Y Y，LU C，LI J，et al.Simulation o f drop impact reliability for electronic devices[J].Finite Elements in Analysis and Design，2005（41）：667-680.endprint

摘 要：筆記本電腦的損壞大部分是由于跌落沖擊造成的，該文對(duì)某型號(hào)的筆記本電腦進(jìn)行了實(shí)體建模并進(jìn)行有限元分析，模擬筆記本電腦在不同情況下的跌落實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作對(duì)比，證明了本方法的有效性。

關(guān)鍵詞：筆記本電腦 跌落仿真 ANSYS

中圖分類號(hào)：TB485 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）02（a）-0075-02

筆記本電腦在各種各樣的沖擊環(huán)境中，跌落是導(dǎo)致產(chǎn)品破損的最關(guān)鍵因素，因?yàn)榈錄_擊最為激烈。所以不管是消費(fèi)者還是設(shè)計(jì)人員最關(guān)注的就是產(chǎn)品的跌落沖擊。它們的破損大多數(shù)是由于跌落沖擊引起的。因此對(duì)于筆記本電腦的關(guān)鍵零配件和帶包裝的筆記本電腦動(dòng)力學(xué)性能研究文獻(xiàn)有不少，王亮等進(jìn)行了基于ANSYS/LS-DYNA的電源適配器外殼耐鋼球撞擊性的分析，研究了不明外物對(duì)電源適配器的撞擊是否會(huì)對(duì)使用者的安全構(gòu)成威脅[1]。宋日恒等進(jìn)行了基于ANSYS的筆記本電腦包裝件跌落仿真研究，建立了瓦楞紙箱、緩沖墊和筆記本電腦的有限元模型，模擬實(shí)際的運(yùn)輸流通環(huán)境和倉(cāng)庫(kù)堆碼環(huán)境下對(duì)模型進(jìn)行跌落試驗(yàn)，得到筆記本電腦在不同條件下跌落的受力情況[2]。陸維生等進(jìn)行了基于ANSYS/LS- DYNA的PCB板跌落仿真，分析了跌落高度和緩沖墊對(duì)電子機(jī)箱上的印刷電路板動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響[3]。綜上可知，對(duì)于不帶包裝的筆記本電腦的跌落分析，還未見相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表

本研究通過三維建模軟件Unigraphi

cs（NX）建立產(chǎn)品三維模型，并進(jìn)行有限元分析，模擬用戶在使用過程中不同形式的跌落工況，從而求得筆記本電腦在不同角度跌落時(shí)所受的應(yīng)力應(yīng)變情況。通過模擬實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果，對(duì)于新開發(fā)產(chǎn)品采取不同的防范措施來達(dá)到最大程度地降低產(chǎn)品破損率[4]。

1 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析（亦稱時(shí)間歷程分析）是用于確定承受任意的隨時(shí)間變化載荷結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的一種方法?？梢杂盟矐B(tài)動(dòng)力學(xué)分析確定結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)載荷，瞬態(tài)載荷和簡(jiǎn)諧載荷的隨意組合作用下的隨時(shí)間變化的位移，應(yīng)變，應(yīng)力及力。首先通過模態(tài)分析計(jì)算出系統(tǒng)的固態(tài)頻率，然后通過瑞利（Rayleigh）阻尼常數(shù)α和β確定M及K值。

式中：M、C、K分別為筆記本的質(zhì)量、阻尼及剛度矩陣。分別為節(jié)點(diǎn)加速度向量、速度向量、位移向量。

在任意給定的時(shí)間t，這些方程可以看作是一系列考慮了慣性力和阻尼力的靜力學(xué)平衡方程。ANSYS程序使用Newmark的時(shí)間積分方法在離散點(diǎn)上求解這些方程。

2 筆記本跌落仿真分析

2.1 筆記本有限元模型的建立

筆記本的三維幾何模型是在NX中建立的，它包括液晶顯示器部分，系統(tǒng)部分，如圖1所示，將模型導(dǎo)入ANSYS，進(jìn)行有限元分析。筆記本所選材料的屬性見（表1）。對(duì)筆記本的網(wǎng)絡(luò)劃分采用智能劃分方式，特別是對(duì)角落部分進(jìn)行了加密處理[5]。劃分網(wǎng)格結(jié)束后的有限元模型表見表2，效果如圖2所示。

2.2 加載條件及后處理

此部分要設(shè)定跌落的初始條件，如：跌落的高度，跌落方向和初始速度等。跌落的模擬圖如（圖3）所示，我們以某個(gè)側(cè)邊落地為例，跌落的兩個(gè)主要因素：跌落高度h及跌落時(shí)與地面的夾角θ。跌落的高度，參考企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及日常使用，大部分電腦桌的桌面離地0.75 m，所以設(shè)定跌落高度h為0.75 m。跌落的角度θ不同造成的損壞程度也有不同，受于篇幅限制，本文只闡述損壞最為嚴(yán)重的情況，即當(dāng)θ=45時(shí)的情況。

根據(jù)物體自由落體運(yùn)動(dòng)方程：

可以計(jì)算得出筆記本電腦在落地瞬間速度為3.8 m/s，經(jīng)過計(jì)算，碰撞后的應(yīng)變及應(yīng)力圖分別如（圖4，5）所示，最大彈性應(yīng)變值為1.8×10-6m，發(fā)生在跌落的角落。最大彈性應(yīng)力值為：23.5 Mpa，出現(xiàn)在與地面接觸的角落，應(yīng)力值在外殼用材質(zhì)的應(yīng)力范圍內(nèi)，依然屬于彈性變化。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過ANSYS對(duì)筆記本電腦的跌落作了動(dòng)態(tài)模擬，分析了電腦的整體變形和受力情況，通過該分析可以對(duì)產(chǎn)品提出不同的優(yōu)化方案，從而減少新產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間，同時(shí)還可以減少開發(fā)費(fèi)用，避免了破壞性測(cè)試帶來的不必要損失。值得指出的是，本文在研究中對(duì)筆記本電腦的零部件的結(jié)構(gòu)，外觀，及結(jié)合處理進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，因此有一定的局限性。

參考文獻(xiàn)

[1] 王亮.基于ANSYS/LS-DYNA 的電源適配器外殼耐鋼球撞擊性的分析[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，2008，35（7）

[2] 宋日恒，張治國(guó).基于ANASYS的筆記本電腦包裝件跌落仿真研究[J].浙江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，21（4）.

[3] 陸維生，馮志華，鄒甲軍.基于ANSYS/LS-DYNA的PCB板跌落仿真[J].蘇州大學(xué)學(xué)報(bào)（工科版），2006，26（1）.

[4] 倪正順，帥詞俊.CAE方法中的優(yōu)化技術(shù)及應(yīng)用[J].現(xiàn)代機(jī)械，2002（2）.

[5] 熊建友，辛勇，揭小平，等.ANSYS/LS-DYNA在跌落仿真中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)輔助工程，2003（6）.

[6] WANG Y Y，LU C，LI J，et al.Simulation o f drop impact reliability for electronic devices[J].Finite Elements in Analysis and Design，2005（41）：667-680.endprint