關(guān)于手機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計探討

張倍銘

（光寶電子（廣州）有限公司，廣東 廣州 510663）

關(guān)于手機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的概述出發(fā)，簡述了手機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的必要性，并且簡要分析了手機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的步驟。

手機(jī)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計；連接；3D；音腔

1　結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計概述

現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是指結(jié)構(gòu)綜合，主要是假定-分析-搜索-最優(yōu)設(shè)計，其中的搜索是指修改優(yōu)化，首先需要判斷該方案是否達(dá)到最優(yōu)，如果不是就需要按規(guī)則進(jìn)行修改，直到達(dá)到最優(yōu)方案設(shè)計。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計主要包括數(shù)學(xué)模型、設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)、約束條件。其中，數(shù)學(xué)模型是根據(jù)已知的給定參數(shù)，然后求出滿足條件的解并且該解還需要滿足目標(biāo)函數(shù)能夠取最小值；設(shè)計變量是根據(jù)設(shè)計過程中所需要的結(jié)構(gòu)特性的物理量，數(shù)值是可調(diào)整的；目標(biāo)函數(shù)則是用來衡量結(jié)構(gòu)設(shè)計的好壞、是否是最優(yōu)的指標(biāo)。

2　手機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的必要性

一部手機(jī)的誕生經(jīng)常需要分為工業(yè)設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、項(xiàng)目管理、質(zhì)量監(jiān)督6個模塊，其中手機(jī)的ID工業(yè)設(shè)計主要包括手機(jī)的外觀、手感、材質(zhì)、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(yè)設(shè)計，例如，手機(jī)的邊框材料，背面的形狀及選用的顏色等。視覺效果是工業(yè)設(shè)計的首要目標(biāo)，它決定了手機(jī)是否經(jīng)典、漂亮以及是否能夠表現(xiàn)出一種獨(dú)一無二的美，為了能夠使手機(jī)的視覺沖擊效果顯著，設(shè)計師們會進(jìn)行各種構(gòu)思，但是一些構(gòu)思由于當(dāng)前的科技過于超前而無法實(shí)現(xiàn)，只能擱淺，要想實(shí)現(xiàn)預(yù)定方案，只能靠結(jié)構(gòu)設(shè)計（MD）來實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計需要做的就是將這些效果現(xiàn)實(shí)化，一步步的構(gòu)建手機(jī)內(nèi)部的所有零件。比如，要做成一體機(jī)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(jī)體上以及電池該怎么放等等。手機(jī)的制作就好像是建一棟房子，首先要搭好框架，再進(jìn)行精裝修，在內(nèi)部進(jìn)行裝改，其中ID工業(yè)設(shè)計所做的就是構(gòu)建手機(jī)的大體框架，MD結(jié)構(gòu)設(shè)計則是對手機(jī)內(nèi)部進(jìn)行填充力圖使設(shè)計最優(yōu)化以及構(gòu)思效果逼真演繹。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計掌握的是手機(jī)最核心的位置，手機(jī)的使用效果全靠它，如果手機(jī)的效果不如人意，那么就需要對手機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行修改，選出最優(yōu)方案，即結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計，力圖將手機(jī)完美呈現(xiàn)。

3　手機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分析

（1）手機(jī)連接結(jié)構(gòu)優(yōu)化。手機(jī)的連接結(jié)構(gòu)主要為卡配結(jié)構(gòu)，而卡配結(jié)構(gòu)又可簡化為懸臂梁形式，將其簡化之后，需要選用一些優(yōu)化軟件來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。比如由美國PTC公司開發(fā)的有限元軟件Pro/ MECHANICA，該軟件可以與Pro/ENGINEER軟件進(jìn)行無縫集成，而且不會造成模型數(shù)據(jù)接口不同所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失以及對幾何模型的修補(bǔ)工作。Pro/ MECHANICA的設(shè)計研究主要分為標(biāo)準(zhǔn)分析、靈敏度分析以及優(yōu)化設(shè)計分析三個類型。其中，標(biāo)準(zhǔn)分析是指用戶根據(jù)一些幾何模型、劃分有限元網(wǎng)絡(luò)等來進(jìn)行計算并得出結(jié)果；而靈敏度分析是運(yùn)用靈敏度分析來定量的表示出參數(shù)不同對模型的影響程度，以此找到哪些參數(shù)是比較重要的，并為了優(yōu)化設(shè)計提供充足的數(shù)據(jù)，同時將重要的參數(shù)確定在一個范圍內(nèi)；優(yōu)化設(shè)計分析是在標(biāo)準(zhǔn)分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)研究目標(biāo)、數(shù)學(xué)模型、目標(biāo)函數(shù)等來求出最佳的約束條件并確定出最優(yōu)方案。設(shè)計優(yōu)化的步驟大致如下，首先，創(chuàng)建出手機(jī)連接結(jié)構(gòu)的幾何模型以及數(shù)學(xué)模型，然后再設(shè)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(shù)的設(shè)計、選擇，接下來借助計算機(jī)軟件來進(jìn)行靈敏度和優(yōu)化設(shè)計的分析，得出結(jié)果，最后根據(jù)結(jié)果來改變模型。采用Pro/ MECHANICA作為手機(jī)連接模塊的分析優(yōu)化工具，需將手機(jī)的主要連接結(jié)構(gòu)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(shè)計驗(yàn)證和設(shè)計優(yōu)化功能來優(yōu)化連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)。通過簡化模型得到參數(shù)后，需進(jìn)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(shù)對模型性能的影響程度，再根據(jù)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(shù)的變化范圍輸入到分析模型中進(jìn)行分析。當(dāng)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(shù)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(shù)的給定范圍之中求解出滿足研究目標(biāo)和約束條件的最佳方案。

（2）手機(jī)結(jié)構(gòu)3D設(shè)計優(yōu)化。手機(jī)的3D設(shè)計優(yōu)化主要是采用ProE軟件，首先進(jìn)行厚度分析，厚度分析主要是檢查手機(jī)的機(jī)殼在進(jìn)行3D設(shè)計時，其厚度是否均勻，但不能通過觸摸的方式進(jìn)行，需借助計算機(jī)軟件ProE來進(jìn)行，測試之后根據(jù)測試結(jié)果確定優(yōu)化方案；其次是干涉分析，干涉分析主要是在進(jìn)行工業(yè)設(shè)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(xiàn)階段內(nèi)的智能手機(jī)機(jī)身薄，屏幕也大，所以手機(jī)在使用后發(fā)熱的情況也是常見，此時要考慮手機(jī)的結(jié)構(gòu)是否合理，是否是結(jié)構(gòu)不合理所導(dǎo)致的手機(jī)發(fā)熱，再根據(jù)結(jié)果來考慮手機(jī)發(fā) 熱較為嚴(yán)重的區(qū)域可將其分散處理或是增加散熱材料等進(jìn)行優(yōu)化。

（3）手機(jī)音腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化。首先，從表1中我們可以看出聲腔對手機(jī)音質(zhì)的影響。

表1　

所以，在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時，需從以上多方面進(jìn)行考慮，在進(jìn)行設(shè)計優(yōu)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(dá)到設(shè)計時的預(yù)計成效?？梢酝ㄟ^Ansys軟件進(jìn)行測試，然后再根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化方案的選擇。Ansys有限元軟件主要是通過對音腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力受力分析，研究在泡棉、后殼壓力、揚(yáng)聲器彈片作用下音腔的變形，通過仿真來分析音腔結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題。ANSY S軟件主要用于計算聲振耦合運(yùn)動的基本關(guān)系式：

通過上式計算并分析靜力作用下音腔結(jié)構(gòu)的受力變形以及固定不變的慣性載荷對結(jié)構(gòu)的影響，找出存在的不合理因素并找到解決的方法，實(shí)現(xiàn)音腔結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化。

4　總結(jié)

手機(jī)在人們的生活中占據(jù)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(jī)的優(yōu)化顯的特別重要，通過優(yōu)化設(shè)計，讓手機(jī)的結(jié)構(gòu)更加合理、性能更加優(yōu)越，也讓其更加可靠有效。

[1] 黃虹.塑料成型加工與模具.化學(xué)工業(yè)出版社出版袁，2003.

[2] 林清安.Pro/Engineer進(jìn)階提高[M].清華大學(xué)出版社.

TN 929.53

A

1671-0711（2016）09（下）-0063-02