王忠强 马乙文 戴 阳 王颖鹏
（上海电控研究所有限公司，上海 200092）
随着我国信息技术水平的不断提高，智能化技术获得了越来越广泛的应用。智能化为人们的生活提供了便利，促使人们对智能化的要求越来越高。在电子产品使用愈发普遍的社会背景下，应用仿真技术能够使电子产品的结构设计更加科学合理。目前，仿真技术在电子产品结构设计中的应用尚处于初步阶段。为了推动仿真技术在电子产品结构设计中的应用，有必要分析应用仿真技术的必要性，并阐述其具体应用。
在电子产品的结构设计中应用仿真技术，有助于高效地进行结构设计。通过录入相关参数信息，仿真软件能够进行自主计算与分析。与传统模式相比，在电子产品结构设计中应用仿真技术的方式不仅提高了设计速度，更提高了设计的准确性。此外，仿真软件具有功能多样性，在进行电子产品的结构设计时，分析角度也更丰富多元，能推动新型电子产品结构的出现。仿真技术具有一定的稳定性，可通过仿真软件建立直观模型，帮助设计人员清晰定位电子产品在结构设计中存在的问题，从而予以针对性解决，提高电子设备的结构质量[1]。
计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）技术应用于电子产品的结构设计，能在电子产品的设计初期预判并分析其结构设计的合理性，提高电子设备的可靠性。
2.1 跌落性设计
2.1.1 有限元算法
电子产品的跌落性设计是一个短时间内的非线性动态响应过程，包含几何非线性、材料非线性以及接触面非线性3种。通常使用中心差分法对这类瞬时产生的动力学内容进行有限元分析。
中心差分算法中，位移通过加速度和速度两项来表示。初始计算时要形成3个矩阵，分别为刚度K、质量M和阻尼C。需要明确加速度、速度以及跌落时长，获得瞬时冲击数据，形成相应的质量矩阵。
当形成矩阵后，要分别计算中心差分法中的时间步长。首先，计算固定时间单位电子设备跌落的载荷。其次，计算固定时间与相应时间步长下的位移。最后，载荷与位移进行结合计算，得出电子设备跌落的速度与加速度。
2.1.2 跌落要求
电子设备在使用过程中可能出现跌落问题。运用仿真技术进行电子产品的结构设计时，要进行跌落试验。为了保障试验结果的完备性，应当采用混凝土或刚性材质制成的跌落面。电子设备的跌落高度控制在1.0～1.5 m。为了模拟正常的跌落状态，电子设备应当处于悬挂状态进行自由跌落。
2.1.3 跌落仿真模型
仿真模型是仿真技术应用的一项重要手段。通过计算机辅助设计（Computer Aided Disign，CAD）构建电子设备模型进行结构分析。下面以MP3为例，对以它为原型建立的跌落仿真模型进行详细分析。
首先，了解MP3的组成结构，包括透明镜片、前壳、中壳、后壳、印制板与液晶显示器模组、电池以及其他组件。
其次，运用有限元模型进行CAD仿真模型的结构识别，并建立1∶1还原的仿真模型。在建立与分析MP3仿真模型时，要了解它的外壳结构。外壳结构会对跌落试验数据造成影响，因此建立仿真模型时，可大量简化外壳、内部模组与其他组件。需要注意，不对镜片进行简化处理。
最后，简化完毕，要对有限元模型进行网格区域划分。网格区域划分有两种形式，分别为四节点壳单元划分和六面体划分。透明镜片与壳体采用的是四节点壳单元划分方式，模组和内部其他组件采用的是六面体划分方式。
2.1.4 跌落仿真结果
为保障MP3跌落数据的全面性，试验共进行6个角度的跌落设计，如图1所示。为了保障接触发生的方向尽可能有效，跌落过程不进行人为干预，以便还原自由跌落的速度状态。
图1 MP3结构与六角度跌落方向
由跌落结果可知，不论以哪个角度进行跌落试验，MP3的最大应力值都在正常区间范围内，甚至还存有较大的应力上升空间。针对MP3的跌落实验，发现它最大应力值的出现节点在定位销和卡扣处，因此在后续结构设计中设计人员应当重点注意这两处。跌落试验还发现，MP3存在应力不均问题，表明此电子设备的结构设计存在不对称问题。因此，设计人员在之后的电子设备结构设计中要注意对外壳形状的把控，以免应力偏差损坏电子设备。
2.2 注射模具设计
除提到的电子设备跌落特性之外，在进行电子设备结构设计时，电子设备注塑外壳设也是结构设计的重要组成部分。设计电子设备外壳结构时，要充分考虑其应力、温度点的集合以及应变场等要素。利用CAE技术进行结构设计的电子设备注射模具可以是实体的，也可以是虚拟的。若进行虚拟结构设计，需要设想电子设备的外表面，并规定一个材料特性进行计算。
在CAE仿真技术中，分析电子设备的外壳成型过程，确定不同材料性能下的压力条件和冷却状况，判断分析塑材的变形程度、应力分布等，以便及时解决外壳注塑可能发生的问题，减少电子设备的后期返修率[2]。
2.2.1 注塑仿真模型
以制造一个电脑的面板为例，建立CAE注射模具的仿真模型。首先，检查塑件的质量，并分析注塑过程中可能发生的变形等问题，以得出最优的结构设计方案。其次，进行电脑面板与浇注系统建模，注意需在浇注系统模型中预留两个侧浇口。最后，设定恒定的温度、注塑速度以及时间等参数。
2.2.2 注塑仿真结果
分析注塑模型时，要综合考虑多种因素。注塑交口与模型尾端的距离过远时，需要进行保压，以保证完好的结构外形。注塑时还要注意困气。困气会造成电子设备外壳厚度不均，熔接痕明显。注塑时，可通过加设顶杆促进排气。模型中熔接痕明显时，可以通过调整电子设备塑件的厚度和注塑浇口位置两种手段进行修正，尽最大可能避免熔接痕问题。除熔接痕外，还要注意冷却后产生的缩痕。若缩痕不明显不影响电子产品的外观，则不需要调整。
针对电子设备外壳中的薄弱区域，注塑材料流经前锋温度过低时不利于成型，此时应当调整注塑手法，以免产生应力节点。当注塑完毕进行冷却时，要注意控制冷却水的流速，以确保冷却均匀，同时注意控制冷却时塑件的区域温差，以防出现热弯曲现象。
2.3 热导率设计
热导率设计也称为热仿真技术的结构设计，主要利用Icepak软件与Flothrem软件实现[3]。这两款软件能够模拟不同状态流体并生成网格，满足电子产品结构设计的圆满性。
2.3.1 有限元算法
热仿真技术进行电子产品结构设计时，通过差分法、有限元分析算法等实现。不同的是，热仿真技术的设计通过热导效应、对流换热以及辐射换热实现。其中，差分法能集中处理模型区域的离散热量，并将不存在的热量以零标注，之后利用热阻连接各节点，基于热平衡得出相关的方程式，待求解方程组后便能得到离散点的热量分布。
2.3.2 热仿真结果
为了发挥热仿真技术在电子产品结构设计中的作用，拟选用一款含有发热源的手机进行相关试验。假定手机的长宽分别为17 cm和7 cm，手机温度状态正常，之后将温度固定为25 ℃，发现此时手机的热传导耗能为总耗能的一半多[4]。手机的摄像头与中央处理器（Central Processing Unit，CPU）温度最高，加设散热管进行相关模拟，对比模拟结果见表1。
表1 对比模拟结果 单位：℃
2.3.3 热仿真模型分析
建立手机模型后，在模型周边设置温度监控器。当模型的触摸温度维持在41 ℃以下时，不同的外壳导热率会影响手机耗能。导热率越好的材料，温度下降越明显。为了提高电子产品的使用性能，在外壳的结构设计上还应当注意导热材料的选取。导热性能好的材料，有利于提高电子设备的运行效率[5]。
利用仿真技术进行电子产品的结构设计，主要体现在对跌落性、注塑外观以及热导率的设计方面。通过仿真技术能够明确结构设计的内容，并形成科学合理的分析结果，以便在之后的电子产品结构设计中进行完善。此外，应用仿真技术可以减少模拟对比时间，提高电子产品结构质量和生产效率，是一项值得大力推广的技术。
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