液晶面板的跌落響應分析

摘要：液晶面板的故障或損壞大部分來自于振動，尤其是意外跌落等情況下產生的沖擊載荷對其損害更加顯著。因此，在面板設計師考慮如何預防或減少沖擊載荷產生的動態響應，就顯得格外重要。本文以簡化的二階振動系統建立了液晶面板在跌落情形下的運動學模型，并分析計算了跌落過程中沖擊載荷作用下面板支撐邊的位移及加速度隨阻尼比及彈簧常數的變化規律，對優化液晶面板的結構設計，提高沖擊載荷下液晶面板的可靠性提供了理論依據。

關鍵詞：液晶面板 瞬態響應 跌落模型

中圖分類號：F407.63 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）09（c）-0016-03

由于航空領域的電子產品通常使用在振動環境下，因此國內外對電子產品在振動條件下的疲勞破壞進行了廣泛的研究。Steinburg[1]對電子元件的振動分析做了概括性的接受，陳述了各種振動源、頻率范圍，并估測了在各種邊界條件下印刷電路板自然頻率的分布，并詳述了電路板承受振動機沖擊的測試方法。Sidharth 和Darker[2]采用有限元法探討了振動對電路板上電子元件間導線壽命的影響。Markstein[3]分析了電子元件的振動問題，得出焊點可靠度主要與一階諧振頻率響應有關。

液晶面板的振動分析，也常利用模態展開法求解其唯一及加速度。Suhir[4]將便攜式電子產品模擬為二階線性彈簧振動系統，先將面板視為一剛體，再將其視為一彈性薄板；結果顯示，在高頻與低頻的比值小于0.25時，可確保此二階系統的穩定性。

1 液晶面板的運動學建模

1.1 液晶面板簡化模型

如圖1所示，液晶面板通常由面板、底座、外框以及相互之間的彈性襯墊構成。當液晶面板意外跌落地面時，沖擊能量經由底座襯墊、面板襯墊傳遞至面板，底座與液晶顯示面板之間的彈性襯墊以及底座與外框之間的彈性襯墊，可以用一組線性彈簧和阻尼器來模擬，圖2為系統撞擊地面的簡化模型。

當液晶面板意外跌落時，沖擊載荷將直接作用到整個系統的支撐邊。為了簡化模型，做如下假設：（1）在外框撞擊地面之后，整個系統不發生反彈，因此不考慮底座和面板的反彈運動；（2）將底座、面板視為剛體，系統可以簡化為二階自由振動系統，跌落造成的激振力通過彈性襯墊傳遞至面板支撐邊；（3）彈性襯墊為線性粘彈性材料，可用一組線性彈簧和阻尼器來描述。

1.2 液晶面板運動方程

由圖2的振動模型，可得系統的運動方程為：

2 數值仿真

假設面板與底座為剛體，振動系統可模擬為二階振動系統，第一及第二自由度分別為底座及面板支撐邊的位移。下面主要分析液晶面板跌落后，面板及底座支撐邊的最大位移計加速度，并探討支撐彈簧常數計阻尼對其的影響。令底座質量為0.0873kg，面板質量為0.0847kg，跌落高度為1.613m。

令彈簧常數k1=4.9×105Nm-1、k2=6.7×106Nm-1，此系統的諧振頻

率為f1=1630Hz，f2=11520Hz。因面板襯墊彈簧常數k2遠高于底座襯墊彈簧常數k1，故底座支撐邊的振動頻率與f1相近，面板支撐邊的振動頻率與f2相近。定義無耦合阻尼比 ，則第一/二無耦合阻尼比為 和 。

圖3與圖4分別顯示不同阻尼比的面板支撐邊的位移及加速度。結果顯示面板支撐邊的位移及加速度隨阻尼比增加而減少，且隨時間遞減至零。

因跌落過程的時間很短暫，且跌落破壞發生在瞬態，因此以下的討論僅考慮系統在跌落過程中，因劇烈振動產生的最大位移計加速度。圖5和圖6分別顯示面板支撐邊的最大位移（ξ2）max及最大加速度（ξ2``）max與阻尼比ξ1的關系，途中分別選取阻尼比ξ1=0.05、0.1及0.2，并改變ξ2值。圖3中顯示面板支撐邊的最大位移隨ξ2增加而略增，但阻尼比ξ1大者，最大位移較小。圖4中顯示面板支撐邊最大加速度與ξ2的關系，最大加速度值隨ξ2增加而遞減至底部再緩慢上升，而ξ1大者，最大加速度較小，圖中各區縣皆有一個波谷，ξ1=0.05區縣的波谷約發生在ξ2=0.3；ξ1=0.1區縣的波谷約發生在ξ2=0.25；ξ1=0.2區縣的波谷約發生在ξ2=0.2。

參考文獻

[1] D.S.Steinberg.Vibration Analysis for Electronic Equipment[M].New York：John Wily Son，1988.

[2] Sidharth，D.B.Barber.Vibration Induced Fatigue Life Estimation of Corner Leads of Peripheral Leaded Components[J].ASME Journal of Electronic Packaging，1996.118：244-249.

[3] Howard W.Markstein.Dealing with vibration in electronics.Electronic Packaging Vibration，1989：30-34.

[4] E.Suhir，R.Burke.Dynamic Response of a Rectangular Plate to a Shock Load，With Application to Portable Electronic Products[J].IEEE Transactions on Components，Packaging，and Manufacturing Technology Part B：Advanced Packaging，1994，17（3）：449-460.