笔记本跌落仿真分析及优化

2015-09-13石然然元春峰

制造业自动化 2015年17期

石然然，刘超，元春峰

（1.北京市计算中心，北京 100094；2.联想集团股份有限公司，北京 100085）

0 引言

随着电子信息技术的不断发展，计算机在医疗、航空航天、交通等各行各业发挥越来越重要的作用。笔记本电脑以其便捷性而广泛应用于娱乐、办公等。但在其运输、装卸、使用过程中难免会发生强烈的冲击震荡，降低电脑性能甚至引起严重损坏。跌落是所有冲击中最剧烈的一个，且用户在使用过程中难免会掉到地上造成外壳、显示屏以及内部电子元件等的损坏。因此，笔记本电脑等电子产品的抗冲击性能越来越受到制造商的重视，成为其在生产研发过程中的重要指标[1]。在跌落过程中硬盘加速度响应过大会导致硬盘磁头与磁盘发生碰撞，硬盘坏道，读写定位不准确等情况[2]，故研究笔记本跌落后的结构强度和硬盘加速度过载情况至关重要。随着计算机技术的迅速发展及有限元方法的成熟，特别是商用有限元软件的不断完善，促进了数值模拟技术的发展[3]。本文利用HyperMesh和Abaqus软件对联想集团股份有限公司某型号笔记本电脑进行了跌落仿真分析获得了结构强度和硬盘加速度过载，并对结构进行优化，从而减少新产品的开发时间和开发费用、避免破坏性测试带来的不必要损失。

1 动力学理论算法

笔记本跌落是笔记本系统在非常短的时间内，在剧烈碰撞动态载荷作用下发生的复杂非线性动态响应过程[4]。这个过程包括笔记本外壳和地面之间的冲击及笔记本内部各零件之间接触条件的迅速变化。因此，笔记本电脑跌落属于瞬态动力学仿真过程，求解算法采用显式积分，相对隐式而言可以节省大量计算时间[5]。在经典力学理论中，物体的动力学通用方程为：

2 有限元模型的建立

2.1 几何简化和网格划分

在Pro-E中对几何模型进行简化并分别把各零件导入到HyperMesh中进行网格划分。网格划分质量好坏对有限元结果计算精度和计算时间有很大影响。笔记本电脑结构有很多小尺寸特征，复杂结构零件采用四面体网格来相对完整表达几何特征，为了提高精度，采用二阶单元，故四面体单元类型为C3D10M。对于相对简单零件，采用六面体单元，减小计算代价，提高计算精度，单元类型为C3D8R[6]。此模型共计零件39个，包含354040个节点，653530个单元。画好的有限元网格及主要零件名称如图1所示。

图1 有限元网格模型

2.2 材料属性设置

根据实际情况对各零件赋予材料属性，主要部件的材料如表1所示：

表1 材料属性设置

2.3 有限元模型设置

笔记本自300mm高度自由跌落到地面上。经计算笔记本在接触地面时的速度为。分别用绑定约束和螺纹连接等手段对笔记本各零件进行装配。接触设置采用general contact，接触类型为默认的“硬”接触关系。为了获得硬盘的过载情况，在仿真过程中设置五个传感器来采集硬盘的加速度。位置放置如图2所示。

图2 传感器位置

2.4 模拟结果分析

跌落分析主要测试在跌落过程中是否有失效零件和硬盘的冲击载荷。求解完成后对后处理结果进行分析，得到整机的等效塑性应变云图如图3所示。

图3 笔记本等效塑性应变云图

在跌落完成后各零件等效塑性应变PEEQ基本都在0.15以下，只有一个位置超过此值，达到最大值0.382，出现在C-cover的螺纹连接处。螺纹连接采用刚性连接有限元模型，使计算结果比实际刚度大。经过分析证明笔记本没有发生零件失效，结构强度达到要求。硬盘上五个传感器的加速度经过2000Hz滤波之后的曲线如图4所示。

图4 传感器加速度曲线

其中A、B、C、D、E四个传感器的峰值分别为1253.06g、1086.55g、982.14g、974.25g、1047.76g，其峰值超过了允许的正常范围。通过查看跌落过程动画发现加速度过高的可能原因是由于HDD-connector与D-cover碰撞引起。

3 硬盘承受加速度的优化

硬盘承受加速度的优化思路主要为修改硬盘模块处结构以及修改笔记本零件结构来达到降低振动、增大缓冲作用。硬盘模块处的结构如图5所示。

图5 硬盘模块处结构

1）优化方案1.增加rubber foot的高度

rubber foot为笔记本放置时和地面接触的四个接触脚。增加rubber foot的高度如图6所示。增加rubber foot的高度可以使地面和笔记本有更长时间缓冲，间接降低笔记本的冲击速度。此时硬盘五个传感器处加速度曲线如图7所示。图7显示A、B、C、D、E五个传感器的加速度峰值分别为1108.70g、1025.51g、919.71g、885.11g、947.30g。与图4结果比较加速度值分别降低11.5%、5.6%、6.3%、9.1%、9.6%。硬盘最大加速度为1108.70g。

图6 增加rubber foot高度

图7 优化方案1中加速度曲线

2）优化方案2.延长泡棉2的长度

延长图5中泡棉2的长度到HDD-connector的位置。泡棉可降低硬盘的振动特性，且能有效防止D-cover和HDD-connector发生碰撞。传感器处加速度曲线如图8所示。图8中五个传感器A、B、C、D、E加速度峰值为950.08g、878.50g、788.39g、758.69g、910.86g。和原始模型比较分别降低24.1%、19.1%、19.7%、22.1%、13.1%，加速度峰值有很大改善，使加速度最大值降低到950.08g，在后期结构改进中可以采取此方案对笔记本进行优化。