现代智能手机的跌落仿真与耐撞性解析

现代智能手机的跌落仿真与耐撞性解析

陈志锋

维沃移动通信有限公司 广东东莞 523000

[摘要]随着智能手机产品的广泛普及，社会各界对智能手机产品各项功能提出更高要求。为了设计生产出最具耐撞性的智能手机，往往在设计和制造过程当中，均需对手机产品开展跌落仿真相关测试分析工作，以便于提出耐撞性的最优提升方案。鉴于此，本文主要对现代智能手机跌落过程开展仿真分析，并提出有效提升耐撞性的相应实施方案，旨在为这方面的业内研究人士提供有价值的参考意见。

[关键词]智能手机；现代智能；跌落；仿真分析；耐撞性；

前言：

智能手机设计和制造过程当中，跌落仿真分析属于重点内容，直接关系着后期产品使用性能能否满足实际需求。因而，对智能手机跌落仿真开展综合分析，并提出最具有效性的智能手机耐撞性优化实施方案，对于全面提升智能手机的耐撞性能及总体质量而言，有着一定的现实意义和价值。

1、关于智能手机跌落仿真总体构思阐述

在充分考虑产品结构的耐撞要求的前提下，结合智能手机产品超薄大屏幕一体式的结构特点，在手机产品整个建模过程中，合理简化，并创建全新的有限元基础模型，应用至手机产品跌落的仿真分析当中。基于仿真数据开展综合分析，针对手机各部件的尺寸、材料等因子进行方案对比，根据对比结果，提出提升智能手机总体耐撞性的优化设计方案和建议。

2、手机产品跌落仿真及其耐撞性

2.1网格划分

网格划分，是有限元仿真分析的重要基础，直接影响着有限元总体计算精准性及效率。对于智能手机整机壳体，因为其几何复杂，因此对其进行四面体类型单元的划分，网格基本单元及最小单元尺寸分别为0.8mm和0.1mm；对智能手机内部触摸屏幕及显示屏幕的玻璃、PCB板、电池等，通过几何简化处理后，对它们都进行六面体类型单元划分，其网格基本单元尺寸为0.8mm[1]；对智能手机塑胶壳体以及模内的五金嵌件、显示屏幕支架进行几何简化处理之后，抽取中面，用壳单元进行划分，网格基本单元尺寸为0.8mm。网格划分期间，需把控好网格数量及大小、质量，同时加入沙漏控制设置，确保高精准度、高效率的求解计算分析。

2.2模型设置

网格划分完毕后，需在ABAQUS CAE软件属性模块当中把智能手机常用材料与属性定义好，并分配到对应的手机主板、玻璃、五金件、塑胶件、摄像头、外壳、电池等各零部件。然后，根据各部件之间的约束条件，在装配模块中完成装配约束设置。总之，考虑智能手机总体结构的耐撞特性，在手机产品整个的建模过程中进行合理简化，将全新有限元基础模型有效构建起来。

因为智能手机整机冲击仿真分析是非线性的瞬态动力学问题，故选定分析类型是Dynamic/Explicit，同时需要定义好仿真求解时间及其质量缩放。整个跌落过程中，智能手机内部多个零件相互间会产生碰撞接触情况，Abaqus软件CAE界面当中需选定General Contact的接触，法向方向勾选硬接触，切向方向设定摩擦系数0.2。除了定义接触，还需做好各部件之间的约束定义。根据智能手机各零件互相约束关系，分别建立各种约束类型的约束对，使手机模型形成一个完整的装配体。智能手机跌落至地面的整个过程，则可视为特定初速度条件之下手机碰撞刚性体（地面）的一个过程[2]。因而，有限元仿真模型下方可增设固定刚性的一个地表面。根据手机跌落高度，计算手机接近地面瞬间的速度，通过Abaqus软件中的边界条件加载初始速度值，方向朝地面向下，让手机模型一开始就处于特定的初始速度，然后与刚性的地表面发生碰撞。

2.3结果分析

此次研究，假定智能手机跌落高度是0.7m，通过改变与智能手机触摸屏接触的壳体材质及其厚度，对触摸屏实际受力大小情况开展仿真对比，详细结果及其分析如下：

2.3.1壳体材质方面

不锈钢类型材料弹性模量高于塑胶、铝合金这两种材料。通过仿真结果中触摸屏受力情况，可了解到，壳体材质改变时，智能手机跌落过程当中触摸屏总体受力变化明显。随着智能手机接触壳体材质模量增加，触摸屏最大应力数值也明显增加，且冲击力最大值同样呈增长趋势，因为触摸屏和壳体相互间碰撞发生响应的时间缩短，触摸屏就会吸收更多能量，受到更多的冲击影响。

壳体厚度0.53mm，跌落高度0.7m情况之下，壳体材质如果是不锈钢，触摸屏有较大的破裂风险，且整机跌落过程当中触摸屏幕、摄像头、电池及各零部件等有较大的潜在破裂风险。因此，不锈钢的壳体材质并非好的选择。

壳体材质如果是塑胶或铝合金，触摸屏则无较大的破裂风险，且触摸屏为玻璃材料相比壳体呈较大弹性模量，不易变形。智能手机跌落碰撞整个过程当中，触摸屏和其余物体呈较短接触响应的时间。智能手机跌落整个过程当中，整机碰撞到刚体地面，壳体先接触到地面发生变形，壳体变形之后，与触摸屏相互发生碰撞，触摸屏幕玻璃则受冲击力。相比较于不锈钢壳体，塑胶壳体的手机跌落变形相对更大，吸收能量也更多。触摸屏所吸收能量明显减少。塑胶壳体产生变形，壳体和触摸屏接触时间延长，故塑胶壳体对触摸屏所产生冲击力最大值下降。对于铝合金材质的壳体，其模量在与塑胶和不锈钢两者之间，跌落过程中手机触摸屏的受力情况也在塑胶、不锈钢两种材料之间。

综上所述，不难得出，智能手机结构优化设计方案当中，针对壳体材质，可优选较低模量类型材料[3]，比如塑胶。

2.3.2壳体厚度方面

在壳体厚度方面，壳体厚度由0.53mm增厚至0.93mm，手机触摸屏所受冲击最大力值和最大应力值分别下降38.6%、40.4%，手机碰撞响应总体时间减少约21.0%，触摸屏所吸收能量下降44.5%。因此，应用手机壳变厚优化方案后，智能手机跌落过程当中，可让壳体通过大变形吸收更多冲击能量，这样对手机触摸屏所产生的冲击力就会下降，手机触摸屏吸收能量也会降低。

2.4耐撞性增强方案

结合实际跌落测试数据，可了解到，智能手机壳体厚度是0.53mm，跌落高度0.7m时，智能手机壳体材质倘若选定不锈钢，则整机跌落过程当中触摸屏幕、摄像头、电池及各零部件等有较大的潜在破裂风险；智能手机壳体厚度是0.73 mm、0.93mm条件下，触摸屏幕、摄像头、电池、各零部件等均无较大的破裂风险。由此可知，此次的手机壳变厚的耐撞性优化设计方案的有效性较为突出。通过将智能手机外壳厚度适当增加，在智能手机跌落过程当中，可确保整机不会有较大的破裂风险产生，使得现代智能手机产品更具耐撞性。

3、结语

综上所述，此次对于智能手机跌落仿真及其耐撞性所开展综合分析，所具备优点如下：结合现代智能手机结构及其耐撞特性基本需求，提出全新有限元基础模型，此模型总体建模相对简单，具备较高物理意义，高度吻合智能手机跌落的场景，可以模拟关注实际跌落过程中较常见的物理工程问题。同时由于模型简化，网格数量少，也突出了仿真计算的高效性。此模型应用至智能手机当中，合理简化整个物理过程，借助ABAQUS仿真软件，让手机产品跌落过程系统仿真得以实现。即便在多种复杂性工况之下，也可快速得到跌落响应结果，便于通过更改壳体材质模量和厚度尺寸快速进行仿真，根据仿真对比结果分析，优选较低模量类型材料作为手机壳体。同时提出将手机壳变厚这一优化方案，使得智能手机自身耐撞性得以提升。

参考文献：

[1]肖辉.一种用于智能手机的跌落测试箱,CN211317682U[P].2020.

[2]王明珠.手机摄像模组跌落仿真与优化[J].计算机辅助工程,2019,28(2):6.

[3]贾杏歌,孙伟,周俊丽,等.液晶显示屏包装件跌落仿真分析及结构优化[J].包装工程,2021,42(1):7.