CAE技术在手机仿真中的应用实践

CAE技术在手机仿真中的应用实践

叶玮

维沃移动通信有限公司 广东东莞 523000

[摘要]手机设计阶段运用CAE技术进行仿真分析，可以找到手机结构上的设计缺陷，优化手机的结构，缩短开发周期，提高开发效率，降低开发成本。本文主要研究运用CAE技术对手机的跌落实验进行仿真模拟，发现手机结构上的缺陷，并进行改善，从而提升手机的抗摔性，保障手机的可靠性品质。

[关键词]手机仿真；CAE技术；LCD-panel

前言：

以往的手机产品开发，需手机结构设计完成，开模做出实际样机，再对样机进行跌落、弯曲和扭转等一系列的测试，发现产品结构上的缺陷，再对手机进行方案改善验证。验证过程中，需要调整模具、结构或电子元器件，其过程漫长，而且成本较高，效率很低。运用CAE技术，可在手机设计过程中采用计算机模拟发现结构设计上的缺陷，再进行改善，节省开发周期和成本，对手机的研发具有重要的意义。

1、关于CAE技术的概述

CAE（Computer Aided Engineering）技术，即计算机系统辅助工程技术，

是计算机辅助分析产品结构力学性能以及结构优化设计的一种近似数值分析方法。CAE广泛地应用于电子产品的设计中，使用户在产品研发过程中改善产品性能、降低研发成本、提高研发效率。现阶段CAE技术已被广泛应用至手机仿真中，为更好地开展手机产品的设计开发各项工作提供技术支持[1]。

2、手机仿真中CAE技术应用实践

2.1手机可靠性设计

手机产品作为当今社会必不可少的电子产品，由上千个电子元器组成，其结构复杂，设计难度大，开发周期长，特别是手机的可靠性设计——抗摔性是手机设计的重点，需保证手机在一定高度的跌落过程中重要的电子元器件不失效。LCD（Liquid Crystal Display）（如图1所示）作为手机的显示模块是手机的一个非常重要元器件，如果LCD 失效则手机就不能使用，因而LCD四周的结构件对其保护显得尤为重要。但LCD结构组件中的LCD-panel通常为玻璃材质，属于脆性材料，玻璃在切割后, 总归有大小不同的切口存在, 即使微小的切口都会影响玻璃强度[2]，因而在跌落过程中容易破裂，手机产品中对LCD-panel的保护设计成为手机结构设计的重点和难点。

运用CAE技术仿真模拟手机的跌落，可在设计初期发现跌落过程中手机LCD-panel的风险情况，如果LCD-panel失效风险很高，则需对LCD进行改善，保证手机的可靠性。

图1 LCD的示意图

2.2 CAE仿真手机跌落

运用CAE计算机系统辅助工程技术，采用有限元软件Hypermesh和Abaqus对手机的跌落仿真模拟，可以发现手机在跌落过程中LCD-panel的风险，从而优化设计保证手机产品的可靠性。

步骤一：网格划分。运用Hypermesh对手机进行网格划分，注意重点关注的电子元器件或结构需细化网格并尽量采用正交网格。如LCD-panel是重要的元器件，需对LCD-panel采用六面体和正交形网格进行划分。

步骤二：材料参数设置。手机的整个模型网格划分完成后，针对手机的各个零部件进行相应的材料参数的设置，材料参数需和实际使用的材料一致。如手机的LCD-panel为玻璃材质，则需将LCD-panel设置成弹性模量为72GPa的玻璃。

步骤三：接触关系设置。手机的零部件很多，各个零部件之间的联接关系需设置正确。如果零部件间为双面胶粘接在一起，则需设置成粘接关系；如果是接触关系，则采用接触对或通用接触设置成接触关系。

步骤四：边界条件设置。此跌落仿真为1.2m跌落，需给手机所有结点一个初速度Vt==4849.74mm/s2，且设分析时间0.002s。同时，需要建立一个地面，地面为刚体，约束6个自由度，保证底面固定。

步骤五：输出结果设置。此模型需要输出手机的位移便于后续查看手机的运动变形情况，同时需要输出LCD-panel的应力和应变，边缘评估LCD-panel的风险。

步骤六：提交计算模型，得到仿真结果。

图2 手机仿真模型

2.3手机跌落仿真结果分析

手机仿真模拟建完提交给计算机计算后可以查看输出结果。观察手机的跌落动画，发现由于手机和地面强烈的撞击,手机在着地时刻发生弯曲变形，而LCD-panel也弯曲变形严重，截面图如图3所示。

图3 手机变形的示意图

因LCD-panel为玻璃属于脆性材料，承受拉应力的能力远远低于压应力，所以通过拉应力来评估LCD-panel，查看LCD-panel的最大主应力，发现LCD-panel的玻璃边缘的最大主应力达到220MPa，如图4所示，图中灰色区域为高应力区域。LCD-panel在切割过程中，由于切割质量的影响导致玻璃边缘常常存在微裂纹，这些微裂纹导致玻璃的弯曲强度急剧下降，手机中LCD-panel一般可承受的弯曲应力为160MPa。仿真分析LCD-panel的玻璃边缘的最大主应力达到220MPa，超过LCD-panel可承受的弯曲应力，因而评估出LCD-panel的失效风险很高，需要对其进行优化设计，使LCD-panel的最大主应力低于160MPa。

图4 LCD-panel的最大主应力

2.4 手机跌落优化设计

运用CAE技术对手机进行跌落仿真，发现了LCD-panel的失效风险很高，需要优化设计降低LCD-panel的应力。通过观察手机的跌落变形，发现手机支架弯曲变形小于LCD-panel的变形，如果在显示屏LCD背面可加一条双面胶，将显示屏和手机的支架粘接起来，则会增强LCD的强度，LCD-panel的弯曲变形会减小，如图5所示。进一步对此方案进行仿真，查看改善方案的结果，LCD-panel的最大主应力为150 MPa，小于LCD-panel的弯曲强度160MPa，此方案有效。

图5 LCD-panel的改善方案

在手机产品做出实物样机后，进行跌落测试，1.2m高度跌落实验过程中未出现手机LCD-panel失效的现象，可见改善方案有效。

3、结语

本文在手机设计开发过程中，利用CAE仿真技术发现了手机显示屏LCD-panel在跌落过程中存在失效风险，进一步进行优化改善，通过仿真分析验证了改善方案的有效性，最终在后期手机样机做出来后，实验测试LCD-panel无失效现象。利用CAE仿真技术缩短了手机产品开发的周期，节省了用实物验证的成本，同时保证了品质，可见CAE仿真技术在工程实践中发挥了重要的作用。

参考文献：

[1]刘丹丹.CAE技术在产品结构仿真中的应用[J].工程建设与设计,2016(8).

[2]马晓辉, 陆洪凯. 玻璃破碎原因简要分析[J], 门窗，2007（05）：48-52