基于手機后蓋三維造型設計與結構分析的應用研究＊

羅永洪，吳浪武

（南昌大學科學技術學院，江西九江 332020）

隨著計算機技術的快速發展，在工業產品設計論法域中傳統的手工設計方案已經不能適應現代科技發展，產品的外形設計越來越趨于無紙化和參數化設計，國外發達的國家已經大量使用CAD/CAM/CAE 計算機輔助設計軟件對工業產品進行外形設計并分析其結構設計是否合理。本文對手機后蓋的結構預期效果進行了初步分析，使用UG 軟件中的CAD 功能對其進行參數化建模設計，其核心是通過簡單的改變模型中的參數值建立和分析新的模型，使產品數據修改更加快速便捷。為驗證其產品設計的合理性，運用UG CAE 功能和Ansys Workbench 軟件對產品進行有限元結構分析，在分析過程中首先對模型結構進行簡化，以求產品在正常使用過程中不發生明顯的塑性變形，以期在滿足實際要求的前提下，最終達到優化產品的效果。

1 產品構思

將手機外殼左上角設計成雙圓頭孔，是為了體現攝像頭的對稱美，使其背面中上位置既簡單美觀，用戶手持手機時又不會遮住攝像頭影響拍攝功能。手機充電接口和耳機孔設計時應考慮使用者的習慣，一般手機音量鍵和關機鍵設計在手機的2 個側面。用戶在使用手機時通常是用右手操作手機，大拇指和中指可以完全掌控電源鍵和音量鍵，這種設計方案可以快速按到電源鍵和音量鍵，不會產生誤操作，以上設計符合人體工程學[1]。

有研究表明人們感受產品的材料主要依靠視覺和觸覺，因此在設計過程中要需要考慮這些方面的因素。在觸覺方面，本次產品設計的原材料采用ADS 材料，這種材料給人的第一觸覺可使消費者產生粗、干、亂、臟等不快的心理情緒，影響消費者對產品的觸覺印象。為了解決這一問題，設計外觀時在材料表面鍍一層黃銅，看上去很細膩、光潔，讓用戶更容易接觸和接受。在材料的視覺質感方面，采用兩側面流線似的曲面輪廓過渡與變化來展現美觀的圓潤性造型，整個產品的造型簡單，風格極簡，營造了一種對稱美。

2 產品三維造型設計

工業產品的三維造型設計常用的的軟件有Catia、UG NX 等，其中UG NX 是三維造型設計主流設計軟件，有著強大的三維造型設計和曲面設計模塊，利用其強大的參數化功能特點可以快速完成工業產品三維造型后的模型數據設計更新與修改。為了快速有效進行手機后蓋產品的三維造型設計，本文利用Siemens NX12.0 進行手機后蓋的三維造型設計。

主要三維造型設計[1]步驟如下：①繪制草圖。以XY平面為草圖繪制平面，在草圖中創建長155 mm、寬75 mm 的矩形，在其四周按圓角半徑為8 mm 去修剪，然后以XZ平面為草圖二的繪制平面，繪制半徑為37.5 mm 的圓弧，圓弧兩端點用約束對齊，使其間距為7.7 mm。②掃掠。在工具欄中選擇插入命令，在彈出的窗口中選擇掃掠命令，根據要求以草圖對象二的圓弧為掃掠截面，以草圖對象一繪制的圓角矩形為引導線掃掠出兩側面的輪廓。③拉伸。在工具欄中選擇拉伸命令，并在手機殼的側面進行拉伸處理，然后進行布爾運算。④有界平面。在工具欄中選擇曲面選項，在下拉菜單中選擇有界曲面命令，把手機外殼的片體生成出來。⑤縫合。利用縫合命令，把側面和底面中的2 個片體縫合起來形成一個整體。⑥加厚。使用加厚命令，使其縫合中的個體向外加厚2 mm 形成實體。⑦倒圓角。雙擊倒圓角命令，把特征邊進行倒圓角處理，倒圓角半徑為0.5 mm。⑧外觀設計。為手機外殼進行上色處理，最終產品的三維模型圖如圖1 所示。

圖1 手機后蓋

3 有限元結構分析

有限元分析的基本思路是將產品結構進行離散化處理，再分解成多個容易分析的單元從而來表達復雜的產品對象，而分解成的單元之間又通過有限的結點進行相互連接，然后根據產品變形協調進行最終求解。運用有限元分析方法，對于產品師來說是一種必要的分析手段，它能在短期內使產品設計師提前評估產品結構設計的合理性、縮短設計的周期和成本。常用的有限元分析工具有ABAQUS、ANSYS 等，本文采用UG CAE 功能和Ansys Workbench 軟件對手機后蓋進行合理性結構分析。

3.1 分析步驟

有限元分析[2]步驟主要包括前處理、求解運算、后處理3 部分，其分析的核心是前處理，前處理又包括用戶根據產品實際情形定義求解模型。產品結構微小部位可簡化求解模型，具體步驟包括定義求解問題的幾何區域、定義單元類型、賦予單元的材料屬性、設置單元的幾何屬性、定義單元的連通性、定義單元的基函數、限制邊界條件、給予載荷的大小和方向8 個步驟。

3.2 UG CAE 分析[3]

UG CAE 分析步驟如下：①點擊UG 文件命令，在其下拉菜單中選擇所有應用模塊，在其子目錄下選擇設計仿真功能，然后進入有限元分析模塊工作界面，并在其彈出的窗口中把創建理想化模型勾選。②設置產品的材料，點擊指派材料命令，在其庫材料選項中選擇ABS 材料，然后點擊確定。③點擊網格控制，根據手機外殼的實際受力情況可知里面受力的大小，兩側面受到的力幾乎可以忽略不計，在彈出的命令框中根據要求調節單元數（單元數越小，計算越準確，越接近實際情況，但是解算時間也相對較長），這里選擇默認的單元數3 作為分析的最小單元數。④創建3D 四面體，點擊網格參數里面的單元大小自動創建（UG 會根據產品的大小自動選擇合適的單元大小）。⑤點擊單元質量分析（檢查由于過度扭曲而無法得出較佳結果的單元），在提示欄中會出現0 個失敗單元、0 個警告單元，表明單元處理得比較完美，若不為0，則需要調整自己的模型。⑥點擊載荷容器，模擬產品在實際運作中可能受到的力的大小，假定力的大小為15 kN，設計好力的幅值和方向。點擊約束容器，把手機外殼的底面設置為固定面，模擬實際情況。進行受力解算，雙擊結果按鈕進行詳細的參數分析。主要查看應力、位移云圖，從該分析可知產品未出現明顯的塑性變形，滿足實際使用要求。

3.3 理論計算和仿真分析

手機外殼的狀態一般分為用戶不使用手機、用戶使用手機2 種情況，下面分別對以上2 種情形進行分析。

用戶不使用手機時，可能將手機放置在桌子上（手機外殼底面承受手機全部的重量），也可能放置在口袋里（手機殼的下側面承受手機整體的重量）。經過簡單分析可知，后者更容易出現擠壓變形，因此以后者為研究對象，建立力學模型。

查閱相關資料可知ABS 的彈性模量E=2.2 GPa，泊松比為0.394，手機外殼下底面為凹型面，向下投影測量可知長L=155 mm，高H=2 mm，寬W=75 mm。該模型受橫向力載荷，橫向尺寸將會發生變化，且滿足胡克定律。S=L×W=155×75=11 625 mm2，

分析云圖是使用Ansys Workbench 有限元軟件[3]分析的結果，如圖2 所示。

圖2 分析云圖

分析圖2 可知，手機外殼下的壓縮位置最長為0.000 101 75 mm，而這與理論計算的結果（0.000 117 3 mm）基本一致（在誤差允許的范圍）。

用戶在使用手機時，手掌托著手機，用手指在屏幕上面不停點擊。可以把手機外殼的受力情形簡化成懸臂梁受力情形[4]。可測量出L=135 mm，B=75 mm，H=2 mm。

彎矩M=F×L=1.5×135=202.5 N·mm。截面慣性量IZ=BH3/12=（75×23）/12=50 mm4。

計算最大應力處，σmax=Mymax/IZ=（202.55×1）/50=4.05 MPa（拉應力），σmax=Mymax/IZ=[202.55×（-1）]/50=-4.05 MPa（壓應力）。

通過查閱相關資料[4]發現，手機后蓋使用的材料ABS 的許用應力為24.5 MPa，其最大應力小于許用應力，故經檢驗其產品設計的強度滿足使用要求。

4 結論

手機后蓋塑料件產品結構使用壽命要求比較高，使用CAD/CAM/CAE 輔助設計軟件可快速完成其產品外形參數化造型設計，其結構是否合理可以運用Ansys Workbench 和UG CAE 靜力學功能進行有限元結構分析，快速修改結構不合理之處，提高了手機后蓋三維造型設計數據的正確性和結構的合理性，使設計出的手機外觀符合人體工程學，在設計中體現出輕、薄、使用壽命長等優點，達到優化產品的目的。