液晶電視包裝件多種工況跌落仿真

李銘，趙朋成，張鋒，譚龍

(青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061)

0 引言

液晶電視包裝件在運輸流通過程中會因各種意外產生跌落沖擊，調查表明，跌落是液晶電視出廠后破損的主要因素之一[1]。液晶電視包裝件跌落方式各異，根據跌落沖擊位置通常歸納為角、棱、面3類。不同跌落狀況對液晶電視損傷不同，為減少流通環節的破損率，尋找對其損傷較大的跌落狀況尤為重要。傳統液晶電視碰撞測試一般在實驗室進行實物跌落，跌落沖擊過程時間極短，肉眼不能觀察到碰撞瞬間狀態，難以控制各項參數完全一致，誤差較大。對于液晶電視產品，大量實物跌落測試成本較高[2]。

本文利用LS-DNYA建立某液晶電視主部件及其包裝件有限元模型，針對不同跌落工況對液晶電視包裝件跌落過程進行分析，獲得跌落過程中液晶電視及其包裝件應力及加速度變化。取面板應力狀態作為參考指標，研究不同跌落工況對電視機液晶屏傷害程度，為產品設計和改進優化提供理論參考。

1 跌落實驗與方法

使用某型號液晶電視包裝件進行跌落實驗，包裝件總質量15kg，長1 400mm，寬840 mm，厚170 mm。包裝箱材料為瓦楞紙板，緩沖材料有EPE軟泡沫和EPS硬泡沫。實驗平臺見圖1。實驗設計為將包裝件分別進行角、3條棱、3個面及前后傾翻的跌落，總計9種工況，見圖2。跌落高度的選擇與跌落工況和產品質量相關，根據GB/T 4857—2005和企業使用的跌落高度標準綜合考慮，最終確定的跌落高度為角跌落1 000mm，棱、面跌落460mm，傾翻跌落760mm。

圖1 跌落實驗平臺

圖2 各工況跌落示意圖

2 跌落有限元分析

2.1 有限元模型

液晶電視機主要由前殼、液晶面板、擴散板、支架、膠框、背板、后殼等結構組成，采用三維建模軟件Creo對液晶電視機包裝件所有組成結構進行建模，見圖3。為提高計算效率，對模型圓角、孔洞等細微結構進行簡化，只保留主要受力結構。為與實際跌落實驗相符合，對模型各個部件賦予相應材料屬性，如密度、彈性模量、泊松比和屈服強度等。通過部分材料實驗及查詢資料得到了液晶電視包裝件各部件材料參數[8]。

圖3 液晶電視包裝結構示意圖

有限元模型建立完成后，需要對各個部件劃分網格才能進行計算，通常選擇六面體網格，只有形狀復雜部件選擇四面體網格。本研究中電視機包裝件整機模型劃分為165 908單元，135 516節點。由于背板是薄板，單元結構選擇殼單元SHELL163，其他部件均采用實體單元SOLID164。計算時各部件之間需定義接觸，膠框及支架底部與背板間的接觸定義為剛性接觸，前后殼之間的接觸定義為剛性接觸，其他接觸均定義為面-面接觸。部分部件網格劃分實例見圖4。

圖4 有限元模型網格

2.2 結果分析

利用LS-DYNA軟件對建立的有限元模型進行各種工況跌落仿真，得到液晶電視包裝件各工況跌落數據。由于通常以液晶電視面板破損情況來判斷產品是否受到破壞，所以取面板應力分布作為主要分析對象。面板應力云圖可以直觀顯示不同跌落時刻面板中應力分布。圖5為不同跌落方式中面板出現最大應力時刻應力云圖，圖6為跌落過程中面板最大應力隨時間變化曲線圖。由圖5、圖6可知，液晶電視機包裝件以不同方式跌落時面板應力云圖和應力-時間曲線有很大差異，這說明不同跌落方式下電視機各部件受力情況完全不同。由于篇幅所限，本文僅選用角、棱2、面3和后傾翻4種跌落方式進行分析。

圖5(a)是角跌落過程中產生最大應力值時刻面板應力云圖。可以看出，面板應力主要集中在跌落角附近，并由角向兩鄰邊延伸；面板中部應力很小，跌落角的對側角出現應力集中。這是因為當包裝角部接觸地面時，包裝箱和硬泡沫停止下跌，跌落角及其兩邊包裝擠壓電視機，繼而導致背板及膠框擠壓面板。所以角跌落中面板在沖擊角及角兩邊同時受到背板和膠框作用力，而面板中部不受擠壓，故此處應力很小；面板搭接于背板，屬于非固定連接，有一定活動空間，因此跌落時，面板與背板之間存在一定相對運動，背板跌落角的對側角對面板造成擠壓，對側角應力升高。此刻面板應力峰值82MPa，位于角頂點，遠超過面板屈服極限60MPa[8]，因此面板開裂。

圖6(a)是角跌落時面板最大應力變化曲線。可以看出，面板應力首先在0.017s緩慢升高，然后在0.023 s急劇升高，0.029s時達到峰值點，最后急劇下降。說明包裝箱在0.017s時接觸地面，0.029s時包裝反彈釋放應力。應力曲線有緩升階段是因為在角跌落時，跌落角處包裝箱和硬泡沫發生形變，吸收動能[9]，導致面板應力增加緩慢。包裝箱和硬泡沫變形到極點后，無法繼續吸收動能，面板應力迅速增加，0.029s時達到峰值82MPa，之后迅速下降。這是因為包裝箱和硬泡沫壓縮到極限后釋放彈性變性能，電視機反向彈起，彈起過程中后殼、膠框和背板對面板的擠壓作用減弱造成的。

棱2跌落最大應力值時刻面板應力云圖見圖5(c)。可以看出，面板應力主要集中在受沖擊跌落棱邊及其相鄰兩邊，中心部位無應力集中，距離跌落棱較近面板部位以及對側兩角均出現應力集中。這是因為電視機包裝件跌落到地面時，棱2對應的包裝箱及硬泡沫首先接觸地面并停止運動，對繼續運動的電視機在跌落棱邊及其兩側造成擠壓，電視機后殼、膠框、背板受到擠壓后對面板造成擠壓，因此跌落棱對應的面板棱邊及其周圍出現應力集中現象。距離跌落棱較近面板部位出現應力集中是硬泡沫開口邊對面板進行擠壓造成的。應力峰值點出現在跌落棱對應面板邊，為20.9MPa，低于面板屈服極限，面板沒有開裂。

棱2跌落時面板最大應力變化曲線見圖6(c)。可以看出，面板應力在0.008s時迅速增大，0.015s時達到最大峰值20.9MPa，之后迅速下降，0.021s后出現連續多個小峰值。說明棱2跌落時，包裝箱在0.008s時首次觸地，0.015s時面板受到最大應力，此時包裝壓縮到極致，電視機停止下跌，之后包裝彈性能釋放，電視機彈起，應力下降。多個小峰值是因為電視機彈起過程中面板與其相接觸零件相互作用的結果。

面3跌落時最大應力值時刻面板應力云圖見圖5(g)。可以看出，面板四周及中部均有不同程度應力集中，天側應力最大為78.7MPa，遠超面板屈服強度60MPa，地側和兩側應力均達到52.5MPa，接近面板屈服強度，面板中部多個部位出現應力集中。這是由于面板邊緣搭放于背板邊緣，中部放置多個支架進行支撐，面3跌落時，面板朝向地面一側，電視機質量通過背板和支架傳遞到面板邊緣及中部，產生應力集中。

面3跌落時面板最大應力變化曲線見圖6(g)。可以看出，面板應力在0.01s時迅速增加，0.019s時達到峰值78.7MPa，0.022s時達到第二峰值，之后迅速下降為0。說明包裝箱在0.01s時觸地，前后殼受擠壓，繼而背板和膠框擠壓面板，出現最大應力78.7MPa。之后電視機彈起，前后殼彈性不均勻變形擠壓面板形成不規則震動，出現第二應力峰值。

后傾翻時最大應力時刻面板應力云圖見圖5(i)。可以看出，面板應力主要集中在天側，其次是兩側和地側邊，內部有少許應力。這是因為天側首先觸地，受力最大，之后傳遞到兩側。跌落時非固定連接的背板與面板發生相對運動，繼而背板對面板地側進行擠壓，產生應力。同時硬泡沫對面板的擠壓引起面板內部應力升高。應力峰值點位于面板天側，為82.1MPa，超過面板屈服極限60MPa，面板開裂。

后傾翻時面板最大應力變化曲線見圖6(i)。可以看出，面板應力在0.007s時迅速增加，0.014s達到峰值82.1MPa，之后迅速下降為0。說明電視機在0.007s時觸地，經過包裝變形對沖擊過程的緩沖，在0.014s時面板受到最大應力。

圖5 最大應力時刻面板應力云圖

圖6 面板最大應力變化曲線圖

3 實驗驗證

為驗證模擬結果合理性，在電視機外部安裝型號為BWT61CL的加速度計，記錄跌落過程中電視機包裝件加速度變化情況，見圖7(本刊黑白印刷，相關疑問咨詢作者)。對比實驗所得和模擬預測加速度曲線可知，兩曲線在重要節點相重合，隨時間的變化趨勢相似，因此有限元模擬計算結果可以很好地反映電視機包裝件實際跌落情況。模擬計算過程中物理模型的簡化以及對運動過程的假設是兩條加速度曲線出現些許偏差的主要原因。

圖7 實驗加速度與模擬加速度對比曲線

4 結語

電視機包裝件在不同工況下跌落時面板應力大小有很大差異。

1)角跌落和后傾翻的面板應力峰值最大，均達到80MPa以上，前傾翻和面跌落的面板應力峰值也達到了70MPa以上。這幾種跌落方式的面板應力峰值都超過面板屈服強度60MPa，均會導致面板破碎。

2)棱跌落時，面板應力峰值最大為48.1MPa，沒有超過面板屈服極限，可知棱跌落不是造成面板破碎的主要原因。因此在后續跌落測試中推薦側重角、面及傾翻測試，減少棱跌落測試。

3)有限元模擬結果可以很好地反映電視機實際跌落情況，驗證了計算機仿真的可能性，模擬計算得出的各項應力參數對后續產品研發具有重要參考價值。