筆記本跌落仿真分析及優化

石然然，劉 超，元春峰

（1.北京市計算中心，北京 100094；2.聯想集團股份有限公司，北京 100085）

0 引言

隨著電子信息技術的不斷發展，計算機在醫療、航空航天、交通等各行各業發揮越來越重要的作用。筆記本電腦以其便捷性而廣泛應用于娛樂、辦公等。但在其運輸、裝卸、使用過程中難免會發生強烈的沖擊震蕩，降低電腦性能甚至引起嚴重損壞。跌落是所有沖擊中最劇烈的一個，且用戶在使用過程中難免會掉到地上造成外殼、顯示屏以及內部電子元件等的損壞。因此，筆記本電腦等電子產品的抗沖擊性能越來越受到制造商的重視，成為其在生產研發過程中的重要指標[1]。在跌落過程中硬盤加速度響應過大會導致硬盤磁頭與磁盤發生碰撞，硬盤壞道，讀寫定位不準確等情況[2]，故研究筆記本跌落后的結構強度和硬盤加速度過載情況至關重要。隨著計算機技術的迅速發展及有限元方法的成熟，特別是商用有限元軟件的不斷完善，促進了數值模擬技術的發展[3]。本文利用HyperMesh和Abaqus軟件對聯想集團股份有限公司某型號筆記本電腦進行了跌落仿真分析獲得了結構強度和硬盤加速度過載，并對結構進行優化，從而減少新產品的開發時間和開發費用、避免破壞性測試帶來的不必要損失。

1 動力學理論算法

筆記本跌落是筆記本系統在非常短的時間內，在 劇烈碰撞動態載荷作用下發生的復雜非線性動態響應過程[4]。這個過程包括筆記本外殼和地面之間的沖擊及筆記本內部各零件之間接觸條件的迅速變化。因此，筆記本電腦跌落屬于瞬態動力學仿真過程，求解算法采用顯式積分，相對隱式而言可以節省大量計算時間[5]。在經典力學理論中，物體的動力學通用方程為：

2 有限元模型的建立

2.1 幾何簡化和網格劃分

在Pro-E中對幾何模型進行簡化并分別把各零件導入到HyperMesh中進行網格劃分。網格劃分質量好壞對有限元結果計算精度和計算時間有很大影響。筆記本電腦結構有很多小尺寸特征，復雜結構零件采用四面體網格來相對完整表達幾何特征，為了提高精度，采用二階單元，故四面體單元類型為C3D10M。對于相對簡單零件，采用六面體單元，減小計算代價，提高計算精度，單元類型為C3D8R[6]。此模型共計零件39個，包含354040個節點，653530個單元。畫好的有限元網格及主要零件名稱如圖1所示。

圖1 有限元網格模型

2.2 材料屬性設置

根據實際情況對各零件賦予材料屬性，主要部件的材料如表1所示：

表1 材料屬性設置

2.3 有限元模型設置

筆記本自300mm高度自由跌落到地面上。經計算筆記本在接觸地面時的速度為。分別用綁定約束和螺紋連接等手段對筆記本各零件進行裝配。接觸設置采用general contact，接觸類型為默認的“硬”接觸關系。為了獲得硬盤的過載情況，在仿真過程中設置五個傳感器來采集硬盤的加速度。位置放置如圖2所示。

圖2 傳感器位置

2.4 模擬結果分析

跌落分析主要測試在跌落過程中是否有失效零件和硬盤的沖擊載荷。求解完成后對后處理結果進行分析，得到整機的等效塑性應變云圖如圖3所示。

圖3 筆記本等效塑性應變云圖

在跌落完成后各零件等效塑性應變PEEQ基本都在0.15以下，只有一個位置超過此值，達到最大值0.382，出現在C-cover的螺紋連接處。螺紋連接采用剛性連接有限元模型，使計算結果比實際剛度大。經過分析證明筆記本沒有發生零件失效，結構強度達到要求。硬盤上五個傳感器的加速度經過2000Hz濾波之后的曲線如圖4所示。

圖4 傳感器加速度曲線

其中A、B、C、D、E四個傳感器的峰值分別為1253.06g、1086.55g、982.14g、974.25g、1047.76g，其峰值超過了允許的正常范圍。通過查看跌落過程動畫發現加速度過高的可能原因是由于HDD-connector與D-cover碰撞引起。

3 硬盤承受加速度的優化

硬盤承受加速度的優化思路主要為修改硬盤模塊處結構以及修改筆記本零件結構來達到降低振動、增大緩沖作用。硬盤模塊處的結構如圖5所示。

圖5 硬盤模塊處結構

1）優化方案1.增加rubber foot的高度

rubber foot為筆記本放置時和地面接觸的四個接觸腳。增加rubber foot的高度如圖6所示。增加rubber foot的高度可以使地面和筆記本有更長時間緩沖，間接降低筆記本的沖擊速度。此時硬盤五個傳感器處加速度曲線如圖7所示。圖7顯示A、B、C、D、E五個傳感器的加速度峰值分別為1108.70g、1025.51g、919.71g、885.11g、947.30g。與圖4結果比較加速度值分別降低11.5%、5.6%、6.3%、9.1%、9.6%。硬盤最大加速度為1108.70g。

圖6 增加rubber foot高度

圖7 優化方案1中加速度曲線

2）優化方案2.延長泡棉2的長度

延長圖5中泡棉2的長度到HDD-connector的位置。泡棉可降低硬盤的振動特性，且能有效防止D-cover和HDD-connector發生碰撞。傳感器處加速度曲線如圖8所示。圖8中五個傳感器A、B、C、D、E加速度峰值為950.08g、878.50g、788.39g、758.69g、910.86g。和原始模型比較分別降低24.1%、19.1%、19.7%、22.1%、13.1%，加速度峰值有很大改善，使加速度最大值降低到950.08g，在后期結構改進中可以采取此方案對筆記本進行優化。

圖8 優化方案2中加速度曲線

4 結論

采用有限元數值模擬技術可以快速分析筆記本跌落過程，并對仿真過程出現的問題進行改進。本型號筆記本電腦通過改進硬盤處泡棉的長度可顯著降低硬盤加速度，保證筆記本安全可靠運行，提高企業的研發效率，節省樣機試驗成本。

[1] 楊書儀.產品跌落沖擊動力學分析與耐撞性能穩健設計[D].中國礦業大學,2009：1-6.

[2] 崔柳燕.筆記本電腦硬盤隔振設計[D].東南大學,2012：1-2.

[3] 俞璐,薛澄岐,祖景平.手機電池蓋跌落仿真分析[J].電子機械工程,2008,24(1)：47-50.

[4] 張彬,高強.基于ANSYS的筆記本電腦的跌落測試仿真分析[J].工業技術,2014(04)：75-76.

[5] 王勖成.有限單元法[M].北京：清華大學出版社,2005.

[6] 石亦平,周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京：機械工業出版社,2010.