仿真技術(shù)在電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王忠強(qiáng) 馬乙文 戴 陽 王穎鵬

（上海電控研究所有限公司，上海 200092）

隨著我國信息技術(shù)水平的不斷提高，智能化技術(shù)獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。智能化為人們的生活提供了便利，促使人們對智能化的要求越來越高。在電子產(chǎn)品使用愈發(fā)普遍的社會背景下，應(yīng)用仿真技術(shù)能夠使電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理。目前，仿真技術(shù)在電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用尚處于初步階段。為了推動(dòng)仿真技術(shù)在電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，有必要分析應(yīng)用仿真技術(shù)的必要性，并闡述其具體應(yīng)用。

1 仿真技術(shù)在電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的必要性

在電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用仿真技術(shù)，有助于高效地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過錄入相關(guān)參數(shù)信息，仿真軟件能夠進(jìn)行自主計(jì)算與分析。與傳統(tǒng)模式相比，在電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用仿真技術(shù)的方式不僅提高了設(shè)計(jì)速度，更提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。此外，仿真軟件具有功能多樣性，在進(jìn)行電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，分析角度也更豐富多元，能推動(dòng)新型電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。仿真技術(shù)具有一定的穩(wěn)定性，可通過仿真軟件建立直觀模型，幫助設(shè)計(jì)人員清晰定位電子產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問題，從而予以針對性解決，提高電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)質(zhì)量[1]。

2 仿真技術(shù)在電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）技術(shù)應(yīng)用于電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能在電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)初期預(yù)判并分析其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，提高電子設(shè)備的可靠性。

2.1 跌落性設(shè)計(jì)

2.1.1 有限元算法

電子產(chǎn)品的跌落性設(shè)計(jì)是一個(gè)短時(shí)間內(nèi)的非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，包含幾何非線性、材料非線性以及接觸面非線性3種。通常使用中心差分法對這類瞬時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)內(nèi)容進(jìn)行有限元分析。

中心差分算法中，位移通過加速度和速度兩項(xiàng)來表示。初始計(jì)算時(shí)要形成3個(gè)矩陣，分別為剛度K、質(zhì)量M和阻尼C。需要明確加速度、速度以及跌落時(shí)長，獲得瞬時(shí)沖擊數(shù)據(jù)，形成相應(yīng)的質(zhì)量矩陣。

當(dāng)形成矩陣后，要分別計(jì)算中心差分法中的時(shí)間步長。首先，計(jì)算固定時(shí)間單位電子設(shè)備跌落的載荷。其次，計(jì)算固定時(shí)間與相應(yīng)時(shí)間步長下的位移。最后，載荷與位移進(jìn)行結(jié)合計(jì)算，得出電子設(shè)備跌落的速度與加速度。

2.1.2 跌落要求

電子設(shè)備在使用過程中可能出現(xiàn)跌落問題。運(yùn)用仿真技術(shù)進(jìn)行電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要進(jìn)行跌落試驗(yàn)。為了保障試驗(yàn)結(jié)果的完備性，應(yīng)當(dāng)采用混凝土或剛性材質(zhì)制成的跌落面。電子設(shè)備的跌落高度控制在1.0～1.5 m。為了模擬正常的跌落狀態(tài)，電子設(shè)備應(yīng)當(dāng)處于懸掛狀態(tài)進(jìn)行自由跌落。

2.1.3 跌落仿真模型

仿真模型是仿真技術(shù)應(yīng)用的一項(xiàng)重要手段。通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Disign，CAD）構(gòu)建電子設(shè)備模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。下面以MP3為例，對以它為原型建立的跌落仿真模型進(jìn)行詳細(xì)分析。

首先，了解MP3的組成結(jié)構(gòu)，包括透明鏡片、前殼、中殼、后殼、印制板與液晶顯示器模組、電池以及其他組件。

其次，運(yùn)用有限元模型進(jìn)行CAD仿真模型的結(jié)構(gòu)識別，并建立1∶1還原的仿真模型。在建立與分析MP3仿真模型時(shí)，要了解它的外殼結(jié)構(gòu)。外殼結(jié)構(gòu)會對跌落試驗(yàn)數(shù)據(jù)造成影響，因此建立仿真模型時(shí)，可大量簡化外殼、內(nèi)部模組與其他組件。需要注意，不對鏡片進(jìn)行簡化處理。

最后，簡化完畢，要對有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格區(qū)域劃分。網(wǎng)格區(qū)域劃分有兩種形式，分別為四節(jié)點(diǎn)殼單元?jiǎng)澐趾土骟w劃分。透明鏡片與殼體采用的是四節(jié)點(diǎn)殼單元?jiǎng)澐址绞剑＝M和內(nèi)部其他組件采用的是六面體劃分方式。

2.1.4 跌落仿真結(jié)果

為保障MP3跌落數(shù)據(jù)的全面性，試驗(yàn)共進(jìn)行6個(gè)角度的跌落設(shè)計(jì)，如圖1所示。為了保障接觸發(fā)生的方向盡可能有效，跌落過程不進(jìn)行人為干預(yù)，以便還原自由跌落的速度狀態(tài)。

圖1 MP3結(jié)構(gòu)與六角度跌落方向

由跌落結(jié)果可知，不論以哪個(gè)角度進(jìn)行跌落試驗(yàn)，MP3的最大應(yīng)力值都在正常區(qū)間范圍內(nèi)，甚至還存有較大的應(yīng)力上升空間。針對MP3的跌落實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)它最大應(yīng)力值的出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)在定位銷和卡扣處，因此在后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)注意這兩處。跌落試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，MP3存在應(yīng)力不均問題，表明此電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在不對稱問題。因此，設(shè)計(jì)人員在之后的電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要注意對外殼形狀的把控，以免應(yīng)力偏差損壞電子設(shè)備。

2.2 注射模具設(shè)計(jì)

除提到的電子設(shè)備跌落特性之外，在進(jìn)行電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，電子設(shè)備注塑外殼設(shè)也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分。設(shè)計(jì)電子設(shè)備外殼結(jié)構(gòu)時(shí)，要充分考慮其應(yīng)力、溫度點(diǎn)的集合以及應(yīng)變場等要素。利用CAE技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的電子設(shè)備注射模具可以是實(shí)體的，也可以是虛擬的。若進(jìn)行虛擬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要設(shè)想電子設(shè)備的外表面，并規(guī)定一個(gè)材料特性進(jìn)行計(jì)算。

在CAE仿真技術(shù)中，分析電子設(shè)備的外殼成型過程，確定不同材料性能下的壓力條件和冷卻狀況，判斷分析塑材的變形程度、應(yīng)力分布等，以便及時(shí)解決外殼注塑可能發(fā)生的問題，減少電子設(shè)備的后期返修率[2]。

2.2.1 注塑仿真模型

以制造一個(gè)電腦的面板為例，建立CAE注射模具的仿真模型。首先，檢查塑件的質(zhì)量，并分析注塑過程中可能發(fā)生的變形等問題，以得出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。其次，進(jìn)行電腦面板與澆注系統(tǒng)建模，注意需在澆注系統(tǒng)模型中預(yù)留兩個(gè)側(cè)澆口。最后，設(shè)定恒定的溫度、注塑速度以及時(shí)間等參數(shù)。

2.2.2 注塑仿真結(jié)果

分析注塑模型時(shí)，要綜合考慮多種因素。注塑交口與模型尾端的距離過遠(yuǎn)時(shí)，需要進(jìn)行保壓，以保證完好的結(jié)構(gòu)外形。注塑時(shí)還要注意困氣。困氣會造成電子設(shè)備外殼厚度不均，熔接痕明顯。注塑時(shí)，可通過加設(shè)頂桿促進(jìn)排氣。模型中熔接痕明顯時(shí)，可以通過調(diào)整電子設(shè)備塑件的厚度和注塑澆口位置兩種手段進(jìn)行修正，盡最大可能避免熔接痕問題。除熔接痕外，還要注意冷卻后產(chǎn)生的縮痕。若縮痕不明顯不影響電子產(chǎn)品的外觀，則不需要調(diào)整。

針對電子設(shè)備外殼中的薄弱區(qū)域，注塑材料流經(jīng)前鋒溫度過低時(shí)不利于成型，此時(shí)應(yīng)當(dāng)調(diào)整注塑手法，以免產(chǎn)生應(yīng)力節(jié)點(diǎn)。當(dāng)注塑完畢進(jìn)行冷卻時(shí)，要注意控制冷卻水的流速，以確保冷卻均勻，同時(shí)注意控制冷卻時(shí)塑件的區(qū)域溫差，以防出現(xiàn)熱彎曲現(xiàn)象。

2.3 熱導(dǎo)率設(shè)計(jì)

熱導(dǎo)率設(shè)計(jì)也稱為熱仿真技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要利用Icepak軟件與Flothrem軟件實(shí)現(xiàn)[3]。這兩款軟件能夠模擬不同狀態(tài)流體并生成網(wǎng)格，滿足電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的圓滿性。

2.3.1 有限元算法

熱仿真技術(shù)進(jìn)行電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通過差分法、有限元分析算法等實(shí)現(xiàn)。不同的是，熱仿真技術(shù)的設(shè)計(jì)通過熱導(dǎo)效應(yīng)、對流換熱以及輻射換熱實(shí)現(xiàn)。其中，差分法能集中處理模型區(qū)域的離散熱量，并將不存在的熱量以零標(biāo)注，之后利用熱阻連接各節(jié)點(diǎn)，基于熱平衡得出相關(guān)的方程式，待求解方程組后便能得到離散點(diǎn)的熱量分布。

2.3.2 熱仿真結(jié)果

為了發(fā)揮熱仿真技術(shù)在電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的作用，擬選用一款含有發(fā)熱源的手機(jī)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。假定手機(jī)的長寬分別為17 cm和7 cm，手機(jī)溫度狀態(tài)正常，之后將溫度固定為25 ℃，發(fā)現(xiàn)此時(shí)手機(jī)的熱傳導(dǎo)耗能為總耗能的一半多[4]。手機(jī)的攝像頭與中央處理器（Central Processing Unit，CPU）溫度最高，加設(shè)散熱管進(jìn)行相關(guān)模擬，對比模擬結(jié)果見表1。

表1 對比模擬結(jié)果 單位：℃

2.3.3 熱仿真模型分析

建立手機(jī)模型后，在模型周邊設(shè)置溫度監(jiān)控器。當(dāng)模型的觸摸溫度維持在41 ℃以下時(shí)，不同的外殼導(dǎo)熱率會影響手機(jī)耗能。導(dǎo)熱率越好的材料，溫度下降越明顯。為了提高電子產(chǎn)品的使用性能，在外殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上還應(yīng)當(dāng)注意導(dǎo)熱材料的選取。導(dǎo)熱性能好的材料，有利于提高電子設(shè)備的運(yùn)行效率[5]。

3 結(jié)語

利用仿真技術(shù)進(jìn)行電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要體現(xiàn)在對跌落性、注塑外觀以及熱導(dǎo)率的設(shè)計(jì)方面。通過仿真技術(shù)能夠明確結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，并形成科學(xué)合理的分析結(jié)果，以便在之后的電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中進(jìn)行完善。此外，應(yīng)用仿真技術(shù)可以減少模擬對比時(shí)間，提高電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，是一項(xiàng)值得大力推廣的技術(shù)。