笔记本电脑后盖的有限元分析与测试研究

邢俊杰 盛小明

摘 要：笔记本电脑的后盖用来保护显示屏的，显示屏是个比较脆弱的结构，许多笔记本电脑LCD显示屏的刮伤、花屏和裂屏都是受到外界的挤压碰撞造成的。因此需要加强后盖的结构强度来保护LCD显示屏。为此，本文通过有限元方法对笔记本后盖部分使用NX Nastran进行静力分析，对后盖进行优化对比，得出优化方案并进行可靠性测试，来检验有限元计算模型的正确性。

关键词：笔记本后盖；静力分析；NX Nastran

笔记本电脑作为工作生活的重要组成部分，随着轻薄化的进行，对其结构强度，性能等的要求也进一步苛刻。不当使用经常会造成液晶面板没有图像，甚至破碎。因此有一个性能良好的后盖对于笔记本电脑来说是非常重要的。如果要解决这些问题，仅仅依靠使用经验设计或类比设计这些传统方法来估计或检查，结果通常是不太准确的，毕竟经验值和实际情况之间会有一个比较大的差距。如果等产品设计结束，通过实际的产品测试来发现这些问题，那就需要大量的测试人力和测试机器，这样会造成很大的开发成本，并且开发日程也会变得很长。因此，为了满足产品设计的高效、准确和可靠的要求，加强笔记本的结构强度，保证足够的可靠性，只有通过有限元法来有效地解决这些问题。有限元分析可以减少损坏性测试样机的数量，不仅可以降低开发费用，还可以减少开发周期、提高产品开发的质量。

本文利用静力学相关理论并结合有限分析，通过有限元分析软件NX Nastran进行模拟仿真，对笔记本电脑进行了压力分析，与同样初始条件下的压力试验结果相对比，验证有限元仿真的正确性。主要的研究内容包括以下两个方面：

第一，对压力测试方法进行介绍，按照日常使用及企业标准选取7个代表点进行压力测试，在测试过程中得到每个点测试过程中的最大应变。通过NX Nastran中的静态接触分析原理，对后盖部分进行了静态分析，得到了笔记本后盖的应变图，将应变值与试验结果相对比，偏差在6%以内，验证了模型的正确性，同时说明有限元法对结构优化有很好地指导作用；第二，对笔记本电脑后盖进行了优化对比，得出优化方案并进行可靠性测试，得出最佳方案。

1 后盖参数介绍及有限元分析

图1是某款笔记本电脑LCD 部分，其中：后盖就是俗称的塑胶外壳。本文以某款笔记本PC+ABS混合塑料作为后盖的材料来研究，其材质采用PC+ABS，厚度T1.7mm。其结构如图1和图2所示。

图1 LCD部分的构成图

首先，确定笔记本电脑的物理中心点，一般物理中心点的选取是连接四个角，中心交叉点处为物理中心点，从物理中心点开始，按照50mm的间隔横向及纵向划分网格线。测试用网格划分结束后，所有网格内部及网格交点处都是测试选取点，总共测试点为35个在模拟测试环境下对笔记本电脑后盖进行压力测试仿真，选取7个点进行，如图2所示。在测试过程中，当对笔记本后盖施加压力后，后盖将有个变形过程。以第1点为例，其外界的中心压力是35kgf，边界条件设置为周边4个点都被固定。在建模前先对单元属性和模型的材料参数进行定义。

图2压力测试的边界条件

通过后处理模块，用NX Nastran对仿真结果进行可视化。经过仿真计算后，可以算出后盖处7个测试点处的最大应变。

表1 7个测试点处最大应变

测试位置 第1点 第2点 第3点 第4点 第5点 第6点 第7点

仿真应变值d（mm） 8.703 7.565 7.830 7.712 6.457 8.208 7.214

由表1可知，在压力作用下，位于中心区域的应变值最大。

2后盖优化设计及实验测试

2.1 后盖的优化设计及有限元分析

根据模拟仿真计算，后盖在显示屏中心区域在静压力作用下的应变值比较大。因此，我们考虑在笔记本后盖显示屏区域增加厚度来减小应变量，同时保持四周的边缘厚度不变，由图3所示，红色区域为增加的厚度，为了成型，红色区域边缘需要增加分化措施。

图3 后盖中心区域增加厚度 图4 Zwick压力测试机

由于LCD 部分的空间限制，所以只能考虑增加T0.1mm和T0.2mm厚度两种情况。对后盖部分进行模型简化及网格划分，在相同的测试环境下对笔记本电脑后盖进行压力测试仿真，也是选取7个点进行。使用NX Nastran软件可以对仿真结果进行可视化，经过仿真计算后，可以算出后盖处7个测试点处的最大应变，得到T0.1以及T0.2mm厚度的应变结果。

表2 压力仿真应变结果

由表2可知，随着后盖红色区域厚度的增加，其受压的应变值也越来越小，说明强度也越来越强，对LCD 显示屏的保护效果也越来越好。因此，经过NXNastran仿真计算，中心区域增加0.2mm厚度的后盖是符合优化设计条件的。

2.2 后盖优化结果实验验证

应用上面最终的后盖优化模型进行设计，进行对应的静压力测试。本次静压力试验采用的压力测试设备为德国Zwick公司生產的门式压力试验机，如图4所示。选取测试点，调节笔记本电脑的水平位置，与选取点对齐后开始测试。测试过程中，压头的移动速度为6mm/min，其中压头的直径在mm。在测试过程中，如果没有发生断裂情况，在达到设定值35kgf后，压头立即释放压力，同时通过显示屏的读数，读出压头从开始测量到测试结束时的位移量，即为此测试点的压力变形量。

通过对后盖进行压力测试，可以读出7个点的应变值。如表3所示，实测数据与仿真分析所得数据基本吻合，偏差在6%以内，说明模型是正确的。

表3 试验结果与仿真结果对比

3 结语

本论文通过有限元分析软件对测试工况的模拟仿真，对笔记本电脑进行了静压力分析，并将仿真结果与试验结果相对比，结果基本吻合。说明这些模拟仿真在产品设计过程中，可以起到很好的指导的作用，在保证产品可靠性满足要求的前提下，提高效率和减少破坏性测试带来的损失，可以节省很多成本。本研究中笔记本电脑后盖、显示屏都进行了简化处理，因此上述结果具有一定的局限性。

参考文献：

[1] 柳景慧.浅析笔记本电脑行业的发展趋势[J].企业导报.2012（08）：64-65.

[2] 崔小明.国内外ABS树脂的生产消费及市场分析（下）[J].上海化工.2004（02）：44-47.