熊仕鵬，胡 彬，王慶生，劉 磊，曾 磊

（中電科蓉威電子技術(shù)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(shè)計(jì)是LCD設(shè)備設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

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

（2）LCD大尺寸應(yīng)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(shí)力學(xué)環(huán)境對液晶屏的影響越大。

（3）LCD 加固設(shè)計(jì)方面。黃東洋等[3]提出通過加強(qiáng)筋增加LCD 支撐件強(qiáng)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(jī)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(qiáng)LCD 作用，也未采用鋼化玻璃與設(shè)備結(jié)構(gòu)件緊固方案。張逸[5]闡述了采用LOCA 全貼合工藝實(shí)現(xiàn)保護(hù)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(yè)內(nèi)主流的有限元仿真軟件，具備模態(tài)分析和耦合分析能力，在工程研究方面有廣泛的應(yīng)用。范汪明等[6]采用Ansys Workbench 開展了無人機(jī)隨機(jī)振動的模態(tài)分析，徐偉等[7]用Ansys 開展飛機(jī)疊翼模態(tài)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(xué)分析。

本文以GJB367A和GJB150.16A車內(nèi)設(shè)備沖擊和振動環(huán)境作為環(huán)境指標(biāo)，采用Ansys Workbench建立預(yù)應(yīng)力下模態(tài)、隨機(jī)振動和瞬態(tài)動力分析模型，以LCD 傳統(tǒng)固定方式作為比對，引入貼合鋼化玻璃工藝實(shí)現(xiàn)LCD 固定，分析此方案對19 inch LCD基板和LCD設(shè)備的加固作用。

1 標(biāo)準(zhǔn)與原則

1.1 19 inch LCD屏

19 inch 是顯示器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸之一，為滿足標(biāo)準(zhǔn)車載上架對設(shè)備面板的尺寸規(guī)范要求，以顯示區(qū)域最大化作為設(shè)計(jì)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(yīng)商的19 inch 5∶4液晶屏基本參數(shù)。

表1 LCD屏振動分析相關(guān)參數(shù)

1.2 車載沖擊和振動環(huán)境

GJB367A《軍用通信設(shè)備通用規(guī)范》第3.10.3.4章節(jié)提出汽車、拖車、方艙等車內(nèi)使用沖擊環(huán)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(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第16部分：振動試驗(yàn)》圖C1提出輪式車的貨廂底板的典型振動響應(yīng)，適用于高速公路卡車振動環(huán)境。其振動參數(shù)如表2所示。根據(jù)顯示設(shè)備在車輛中的實(shí)際安裝情況，將縱向設(shè)為垂直于LCD 屏方向，垂向設(shè)為平行于LCD 屏的上下方向，橫向設(shè)為平行于LCD屏的左右方向。

表2 高速公路卡車振動指標(biāo)

1.3 上架安裝形式

GJB 100《面板、機(jī)架和機(jī)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(biāo)準(zhǔn)上架機(jī)箱面板外形尺寸作出明確的規(guī)定，LCD 液晶屏選用19 inch 5∶4的，顯示器設(shè)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(guān)結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要可分為前框、基板、有機(jī)玻璃板（導(dǎo)光板）和后框，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。顯示器通過前后框?qū)⒒搴陀袡C(jī)玻璃固定。

圖1 LCD顯示屏組成簡化模型

2.1 傳統(tǒng)方案（方案一）

行業(yè)內(nèi)LCD 顯示屏都在后框兩側(cè)設(shè)計(jì)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(jī)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(cè)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(wěn)定后，通過結(jié)構(gòu)件壓合鋼化玻璃四周邊緣實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)件

面板是LCD 設(shè)備與車載機(jī)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(jié)構(gòu)件壓合方式，固定過程中涉及到螺釘和結(jié)構(gòu)件間壓合預(yù)緊力。建立分析過程中引入預(yù)緊力，使用Ansys Workbench 分析軟件建立靜力、模態(tài)、隨機(jī)振動和瞬態(tài)動力分析的關(guān)聯(lián)模型，仿真關(guān)聯(lián)模型如圖4所示。

圖4 仿真關(guān)聯(lián)模型

3.1 材料屬性

采用方案一的19 inch 上架LCD 顯示設(shè)備主要結(jié)構(gòu)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(dǎo)光板×1和后框×1。

采用方案二的主要結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(xué)參數(shù)［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(shè)置

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

表4 接觸對約束設(shè)置

3.2.2 固定約束和預(yù)緊力

（1）標(biāo)準(zhǔn)上架設(shè)備通過面板螺釘緊固于機(jī)柜或墻面，車輛的振動響應(yīng)通過機(jī)柜或墻面?zhèn)鬟f到面板再到LCD，仿真中將面板左右兩處與機(jī)柜或墻面的貼合面設(shè)定為固定約束。

（2）針對預(yù)緊力。根據(jù)DIN267 標(biāo)準(zhǔn)，4.8 級M2.5 螺紋連接預(yù)緊力預(yù)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(zhì)強(qiáng)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(zhì)量不高，本文將743 N 預(yù)緊力乘以0.5的系數(shù)作用于螺桿，預(yù)緊力為371.5 N。

方案二（圖5（b））采用結(jié)構(gòu)件（鋼化玻璃壓合件）壓緊鋼化玻璃，其預(yù)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(zhì)強(qiáng)度與螺紋強(qiáng)度相差較大，應(yīng)以面板的材質(zhì)作為預(yù)緊力的計(jì)算基礎(chǔ)。以5A06-H112 材料為例，假設(shè)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(qiáng)度P1=165 MPa[11]和安全系數(shù)0.7導(dǎo)入計(jì)算，得到預(yù)緊力P=0.7×P1×S1≈199.28 N。

圖5 預(yù)緊力設(shè)置

3.3 仿真模型

在三維軟件中簡化模型，將模型導(dǎo)入到Ansys Workbench 中，設(shè)置部件屬性、材料、接觸和約束，全局網(wǎng)格賦值5 mm，細(xì)化預(yù)應(yīng)力處和基板網(wǎng)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(jié)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(jié)構(gòu)形式可知，在兩邊或者四周固定的狀態(tài)下，應(yīng)重點(diǎn)分析垂直于屏方向（Z向和-Z向）的變形。

3.4.1 傳統(tǒng)方案結(jié)果

對方案一模型開展靜力分析、模態(tài)分析和隨機(jī)振動計(jì)算，得到前6 階振動模態(tài)如表5所示，預(yù)緊力下和隨機(jī)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(tài)

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(jié)果

同理，對方案二模型開展計(jì)算，得到前6 階振動模態(tài)如表6所示，預(yù)緊力下和隨機(jī)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(tài)

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(jié)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(shù)據(jù)都優(yōu)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(shù)據(jù)對比如表7所示。

表7 固定方案的數(shù)據(jù)對比表

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用鋼化玻璃貼合固定方案的19 inch LCD 設(shè)備如圖11所示，其結(jié)構(gòu)、材料等與方案二仿真模型相同。經(jīng)過振動和沖擊試驗(yàn)后，LCD正常顯示，試驗(yàn)通過。

圖11 振動和沖擊試驗(yàn)過程

5 結(jié)束語

本文對19 inch LCD 車載上架顯示設(shè)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(fù)雜使用環(huán)境下大尺寸LCD的加固設(shè)計(jì)提供解決方案。

（1）通過建立預(yù)應(yīng)力下模態(tài)隨機(jī)振動和瞬態(tài)動力學(xué)仿真模型，模擬車載設(shè)備振動和沖擊環(huán)境，提出車載設(shè)備基于有限元仿真的沖擊振動模擬的方案。

（2）基于LCD 構(gòu)成和應(yīng)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(qiáng)度，提高LCD 自身的抗彎曲的應(yīng)變。同時(shí)，通過壓緊鋼化玻璃四周將面板傳遞過來的沖擊和振動轉(zhuǎn)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(tǒng)方案，基板不會產(chǎn)生來自于LCD框體的壓應(yīng)力，有利于基板的顯示。

（4）對比傳統(tǒng)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(jī)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(nèi)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(yàn)證明，鋼化玻璃貼合加固方案可滿足19 inch LCD車載環(huán)境下的抗沖擊和抗振動要求。