關于手機結構優化設計探討

張倍銘

（光寶電子（廣州）有限公司，廣東 廣州 510663）

關于手機結構優化設計探討

張倍銘

（光寶電子（廣州）有限公司，廣東 廣州 510663）

本文主要從結構優化設計的概述出發，簡述了手機結構優化設計的必要性，并且簡要分析了手機結構優化設計的步驟。

手機；結構優化設計；連接；3D；音腔

1　結構優化設計概述

現在的結構優化是指結構綜合，主要是假定-分析-搜索-最優設計，其中的搜索是指修改優化，首先需要判斷該方案是否達到最優，如果不是就需要按規則進行修改，直到達到最優方案設計。結構優化設計主要包括數學模型、設計變量、目標函數、約束條件。其中，數學模型是根據已知的給定參數，然后求出滿足條件的解并且該解還需要滿足目標函數能夠取最小值；設計變量是根據設計過程中所需要的結構特性的物理量，數值是可調整的；目標函數則是用來衡量結構設計的好壞、是否是最優的指標。

2　手機結構優化設計的必要性

一部手機的誕生經常需要分為工業設計、結構設計、硬件設計、軟件設計、項目管理、質量監督6個模塊，其中手機的ID工業設計主要包括手機的外觀、手感、材質、顏色搭配，我們能看得到并且是客觀存在能夠觸摸到的部門都屬于工業設計，例如，手機的邊框材料，背面的形狀及選用的顏色等。視覺效果是工業設計的首要目標，它決定了手機是否經典、漂亮以及是否能夠表現出一種獨一無二的美，為了能夠使手機的視覺沖擊效果顯著，設計師們會進行各種構思，但是一些構思由于當前的科技過于超前而無法實現，只能擱淺，要想實現預定方案，只能靠結構設計（MD）來實現，結構設計需要做的就是將這些效果現實化，一步步的構建手機內部的所有零件。比如，要做成一體機還是可拆卸的、零件尺寸的選擇、框架選用金屬還是塑料、后殼要如何固定在機體上以及電池該怎么放等等。手機的制作就好像是建一棟房子，首先要搭好框架，再進行精裝修，在內部進行裝改，其中ID工業設計所做的就是構建手機的大體框架，MD結構設計則是對手機內部進行填充力圖使設計最優化以及構思效果逼真演繹。因此，結構設計掌握的是手機最核心的位置，手機的使用效果全靠它，如果手機的效果不如人意，那么就需要對手機的結構設計進行修改，選出最優方案，即結構最優設計，力圖將手機完美呈現。

3　手機結構優化設計分析

（1）手機連接結構優化。手機的連接結構主要為卡配結構，而卡配結構又可簡化為懸臂梁形式，將其簡化之后，需要選用一些優化軟件來進行優化設計。比如由美國PTC公司開發的有限元軟件Pro/ MECHANICA，該軟件可以與Pro/ENGINEER軟件進行無縫集成，而且不會造成模型數據接口不同所導致的數據丟失以及對幾何模型的修補工作。Pro/ MECHANICA的設計研究主要分為標準分析、靈敏度分析以及優化設計分析三個類型。其中，標準分析是指用戶根據一些幾何模型、劃分有限元網絡等來進行計算并得出結果；而靈敏度分析是運用靈敏度分析來定量的表示出參數不同對模型的影響程度，以此找到哪些參數是比較重要的，并為了優化設計提供充足的數據，同時將重要的參數確定在一個范圍內；優化設計分析是在標準分析的基礎上，根據研究目標、數學模型、目標函數等來求出最佳的約束條件并確定出最優方案。設計優化的步驟大致如下，首先，創建出手機連接結構的幾何模型以及數學模型，然后再設定單位以及確定材料的屬性及定義約束條件以及其載荷和參數的設計、選擇，接下來借助計算機軟件來進行靈敏度和優化設計的分析，得出結果，最后根據結果來改變模型。采用Pro/ MECHANICA作為手機連接模塊的分析優化工具，需將手機的主要連接結構簡化成懸臂梁，以此來建立有限元分析模型，再通過Pro/MECHANICA的設計驗證和設計優化功能來優化連接結構的設計參數。通過簡化模型得到參數后，需進行靈敏度分析，其中靈敏度分析分為局部靈敏度分析和全局靈敏度分析。局部靈敏度分析是要確定主要參數對模型性能的影響程度，再根據約束條件和選用材料的特性建立全局靈敏度分析，并將各參數的變化范圍輸入到分析模型中進行分析。當全局靈敏度分析的模型、材料特性及約束條件與局部靈敏度分析相同時，將局部靈敏度分析中確定的三個參數作為全局靈敏度分析的變量，建立全局靈敏度分析，最后在參數的給定范圍之中求解出滿足研究目標和約束條件的最佳方案。

（2）手機結構3D設計優化。手機的3D設計優化主要是采用ProE軟件，首先進行厚度分析，厚度分析主要是檢查手機的機殼在進行3D設計時，其厚度是否均勻，但不能通過觸摸的方式進行，需借助計算機軟件ProE來進行，測試之后根據測試結果確定優化方案；其次是干涉分析，干涉分析主要是在進行工業設計時，是否存在不合理的情況，部件之間是否存在互相干擾的情況；然后是散熱分析，現階段內的智能手機機身薄，屏幕也大，所以手機在使用后發熱的情況也是常見，此時要考慮手機的結構是否合理，是否是結構不合理所導致的手機發熱，再根據結果來考慮手機發 熱較為嚴重的區域可將其分散處理或是增加散熱材料等進行優化。

（3）手機音腔結構優化。首先，從表1中我們可以看出聲腔對手機音質的影響。

表1　

所以，在進行優化設計時，需從以上多方面進行考慮，在進行設計優化時，首先要確定其音腔的前容積高度、出音孔高度、后容積高度以及洩漏孔高度是否符合要求及其所起的作用是否達到設計時的預計成效。可以通過Ansys軟件進行測試，然后再根據仿真結果進行優化方案的選擇。Ansys有限元軟件主要是通過對音腔結構進行靜力受力分析，研究在泡棉、后殼壓力、揚聲器彈片作用下音腔的變形，通過仿真來分析音腔結構設計中存在的問題。ANSY S軟件主要用于計算聲振耦合運動的基本關系式：

通過上式計算并分析靜力作用下音腔結構的受力變形以及固定不變的慣性載荷對結構的影響，找出存在的不合理因素并找到解決的方法，實現音腔結構的設計優化。

4　總結

手機在人們的生活中占據著越來越重要的作用，為生活帶來了便捷，方便我們與家人、朋友等的連接，所以對于手機的優化顯的特別重要，通過優化設計，讓手機的結構更加合理、性能更加優越，也讓其更加可靠有效。

[1] 黃虹.塑料成型加工與模具.化學工業出版社出版袁，2003.

[2] 林清安.Pro/Engineer進階提高[M].清華大學出版社.

TN 929.53

A

1671-0711（2016）09（下）-0063-02