基于ANSYS的笔记本电脑的跌落测试仿真分析

张彬　高强

摘 要：笔记本电脑的损坏大部分是由于跌落冲击造成的，该文对某型号的笔记本电脑进行了实体建模并进行有限元分析，模拟笔记本电脑在不同情况下的跌落实验，实验结果与企业标准作对比，证明了本方法的有效性。

关键词：笔记本电脑 跌落仿真 ANSYS

中图分类号：TB485 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）02（a）-0075-02

笔记本电脑在各种各样的冲击环境中，跌落是导致产品破损的最关键因素，因为跌落冲击最为激烈。所以不管是消费者还是设计人员最关注的就是产品的跌落冲击。它们的破损大多数是由于跌落冲击引起的。因此对于笔记本电脑的关键零配件和带包装的笔记本电脑动力学性能研究文献有不少，王亮等进行了基于ANSYS/LS-DYNA的电源适配器外壳耐钢球撞击性的分析，研究了不明外物对电源适配器的撞击是否会对使用者的安全构成威胁[1]。宋日恒等进行了基于ANSYS的笔记本电脑包装件跌落仿真研究，建立了瓦楞纸箱、缓冲垫和笔记本电脑的有限元模型，模拟实际的运输流通环境和仓库堆码环境下对模型进行跌落试验，得到笔记本电脑在不同条件下跌落的受力情况[2]。陆维生等进行了基于ANSYS/LS- DYNA的PCB板跌落仿真，分析了跌落高度和缓冲垫对电子机箱上的印刷电路板动态响应的影响[3]。综上可知，对于不带包装的笔记本电脑的跌落分析，还未见相关文献发表

本研究通过三维建模软件Unigraphi

cs（NX）建立产品三维模型，并进行有限元分析，模拟用户在使用过程中不同形式的跌落工况，从而求得笔记本电脑在不同角度跌落时所受的应力应变情况。通过模拟实验所得结果，对于新开发产品采取不同的防范措施来达到最大程度地降低产品破损率[4]。

1 瞬态动力学理论基础

瞬态动力学分析（亦称时间历程分析）是用于确定承受任意的随时间变化载荷结构的动力学响应的一种方法。可以用瞬态动力学分析确定结构在稳态载荷，瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下的随时间变化的位移，应变，应力及力。首先通过模态分析计算出系统的固态频率，然后通过瑞利（Rayleigh）阻尼常数α和β确定M及K值。

式中：M、C、K分别为笔记本的质量、阻尼及刚度矩阵。分别为节点加速度向量、速度向量、位移向量。

在任意给定的时间t，这些方程可以看作是一系列考虑了惯性力和阻尼力的静力学平衡方程。ANSYS程序使用Newmark的时间积分方法在离散点上求解这些方程。

2 笔记本跌落仿真分析

2.1 笔记本有限元模型的建立

笔记本的三维几何模型是在NX中建立的，它包括液晶显示器部分，系统部分，如图1所示，将模型导入ANSYS，进行有限元分析。笔记本所选材料的属性见（表1）。对笔记本的网络划分采用智能划分方式，特别是对角落部分进行了加密处理[5]。划分网格结束后的有限元模型表见表2，效果如图2所示。

2.2 加载条件及后处理

此部分要设定跌落的初始条件，如：跌落的高度，跌落方向和初始速度等。跌落的模拟图如（图3）所示，我们以某个侧边落地为例，跌落的两个主要因素：跌落高度h及跌落时与地面的夹角θ。跌落的高度，参考企业标准及日常使用，大部分电脑桌的桌面离地0.75 m，所以设定跌落高度h为0.75 m。跌落的角度θ不同造成的损坏程度也有不同，受于篇幅限制，本文只阐述损坏最为严重的情况，即当θ=45时的情况。

根据物体自由落体运动方程：

可以计算得出笔记本电脑在落地瞬间速度为3.8 m/s，经过计算，碰撞后的应变及应力图分别如（图4，5）所示，最大弹性应变值为1.8×10-6m，发生在跌落的角落。最大弹性应力值为：23.5 Mpa，出现在与地面接触的角落，应力值在外壳用材质的应力范围内，依然属于弹性变化。

3 结语

本文通过ANSYS对笔记本电脑的跌落作了动态模拟，分析了电脑的整体变形和受力情况，通过该分析可以对产品提出不同的优化方案，从而减少新产品的开发时间，同时还可以减少开发费用，避免了破坏性测试带来的不必要损失。值得指出的是，本文在研究中对笔记本电脑的零部件的结构，外观，及结合处理进行了简化处理，因此有一定的局限性。

参考文献

[1] 王亮.基于ANSYS/LS-DYNA 的电源适配器外壳耐钢球撞击性的分析[J].计算机应用技术，2008，35（7）

[2] 宋日恒，张治国.基于ANASYS的笔记本电脑包装件跌落仿真研究[J].浙江科技学院学报，2009，21（4）.

[3] 陆维生，冯志华，邹甲军.基于ANSYS/LS-DYNA的PCB板跌落仿真[J].苏州大学学报（工科版），2006，26（1）.

[4] 倪正顺，帅词俊.CAE方法中的优化技术及应用[J].现代机械，2002（2）.

[5] 熊建友，辛勇，揭小平，等.ANSYS/LS-DYNA在跌落仿真中的应用[J].计算机辅助工程，2003（6）.

[6] WANG Y Y，LU C，LI J，et al.Simulation o f drop impact reliability for electronic devices[J].Finite Elements in Analysis and Design，2005（41）：667-680.endprint

摘 要：笔记本电脑的损坏大部分是由于跌落冲击造成的，该文对某型号的笔记本电脑进行了实体建模并进行有限元分析，模拟笔记本电脑在不同情况下的跌落实验，实验结果与企业标准作对比，证明了本方法的有效性。

关键词：笔记本电脑 跌落仿真 ANSYS

中图分类号：TB485 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）02（a）-0075-02

笔记本电脑在各种各样的冲击环境中，跌落是导致产品破损的最关键因素，因为跌落冲击最为激烈。所以不管是消费者还是设计人员最关注的就是产品的跌落冲击。它们的破损大多数是由于跌落冲击引起的。因此对于笔记本电脑的关键零配件和带包装的笔记本电脑动力学性能研究文献有不少，王亮等进行了基于ANSYS/LS-DYNA的电源适配器外壳耐钢球撞击性的分析，研究了不明外物对电源适配器的撞击是否会对使用者的安全构成威胁[1]。宋日恒等进行了基于ANSYS的笔记本电脑包装件跌落仿真研究，建立了瓦楞纸箱、缓冲垫和笔记本电脑的有限元模型，模拟实际的运输流通环境和仓库堆码环境下对模型进行跌落试验，得到笔记本电脑在不同条件下跌落的受力情况[2]。陆维生等进行了基于ANSYS/LS- DYNA的PCB板跌落仿真，分析了跌落高度和缓冲垫对电子机箱上的印刷电路板动态响应的影响[3]。综上可知，对于不带包装的笔记本电脑的跌落分析，还未见相关文献发表

本研究通过三维建模软件Unigraphi

cs（NX）建立产品三维模型，并进行有限元分析，模拟用户在使用过程中不同形式的跌落工况，从而求得笔记本电脑在不同角度跌落时所受的应力应变情况。通过模拟实验所得结果，对于新开发产品采取不同的防范措施来达到最大程度地降低产品破损率[4]。

1 瞬态动力学理论基础

瞬态动力学分析（亦称时间历程分析）是用于确定承受任意的随时间变化载荷结构的动力学响应的一种方法。可以用瞬态动力学分析确定结构在稳态载荷，瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下的随时间变化的位移，应变，应力及力。首先通过模态分析计算出系统的固态频率，然后通过瑞利（Rayleigh）阻尼常数α和β确定M及K值。

式中：M、C、K分别为笔记本的质量、阻尼及刚度矩阵。分别为节点加速度向量、速度向量、位移向量。

在任意给定的时间t，这些方程可以看作是一系列考虑了惯性力和阻尼力的静力学平衡方程。ANSYS程序使用Newmark的时间积分方法在离散点上求解这些方程。

2 笔记本跌落仿真分析

2.1 笔记本有限元模型的建立

笔记本的三维几何模型是在NX中建立的，它包括液晶显示器部分，系统部分，如图1所示，将模型导入ANSYS，进行有限元分析。笔记本所选材料的属性见（表1）。对笔记本的网络划分采用智能划分方式，特别是对角落部分进行了加密处理[5]。划分网格结束后的有限元模型表见表2，效果如图2所示。

2.2 加载条件及后处理

此部分要设定跌落的初始条件，如：跌落的高度，跌落方向和初始速度等。跌落的模拟图如（图3）所示，我们以某个侧边落地为例，跌落的两个主要因素：跌落高度h及跌落时与地面的夹角θ。跌落的高度，参考企业标准及日常使用，大部分电脑桌的桌面离地0.75 m，所以设定跌落高度h为0.75 m。跌落的角度θ不同造成的损坏程度也有不同，受于篇幅限制，本文只阐述损坏最为严重的情况，即当θ=45时的情况。

根据物体自由落体运动方程：

可以计算得出笔记本电脑在落地瞬间速度为3.8 m/s，经过计算，碰撞后的应变及应力图分别如（图4，5）所示，最大弹性应变值为1.8×10-6m，发生在跌落的角落。最大弹性应力值为：23.5 Mpa，出现在与地面接触的角落，应力值在外壳用材质的应力范围内，依然属于弹性变化。

3 结语

本文通过ANSYS对笔记本电脑的跌落作了动态模拟，分析了电脑的整体变形和受力情况，通过该分析可以对产品提出不同的优化方案，从而减少新产品的开发时间，同时还可以减少开发费用，避免了破坏性测试带来的不必要损失。值得指出的是，本文在研究中对笔记本电脑的零部件的结构，外观，及结合处理进行了简化处理，因此有一定的局限性。

参考文献

[1] 王亮.基于ANSYS/LS-DYNA 的电源适配器外壳耐钢球撞击性的分析[J].计算机应用技术，2008，35（7）

[2] 宋日恒，张治国.基于ANASYS的笔记本电脑包装件跌落仿真研究[J].浙江科技学院学报，2009，21（4）.

[3] 陆维生，冯志华，邹甲军.基于ANSYS/LS-DYNA的PCB板跌落仿真[J].苏州大学学报（工科版），2006，26（1）.

[4] 倪正顺，帅词俊.CAE方法中的优化技术及应用[J].现代机械，2002（2）.

[5] 熊建友，辛勇，揭小平，等.ANSYS/LS-DYNA在跌落仿真中的应用[J].计算机辅助工程，2003（6）.

[6] WANG Y Y，LU C，LI J，et al.Simulation o f drop impact reliability for electronic devices[J].Finite Elements in Analysis and Design，2005（41）：667-680.endprint

摘 要：笔记本电脑的损坏大部分是由于跌落冲击造成的，该文对某型号的笔记本电脑进行了实体建模并进行有限元分析，模拟笔记本电脑在不同情况下的跌落实验，实验结果与企业标准作对比，证明了本方法的有效性。

关键词：笔记本电脑 跌落仿真 ANSYS

中图分类号：TB485 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）02（a）-0075-02

笔记本电脑在各种各样的冲击环境中，跌落是导致产品破损的最关键因素，因为跌落冲击最为激烈。所以不管是消费者还是设计人员最关注的就是产品的跌落冲击。它们的破损大多数是由于跌落冲击引起的。因此对于笔记本电脑的关键零配件和带包装的笔记本电脑动力学性能研究文献有不少，王亮等进行了基于ANSYS/LS-DYNA的电源适配器外壳耐钢球撞击性的分析，研究了不明外物对电源适配器的撞击是否会对使用者的安全构成威胁[1]。宋日恒等进行了基于ANSYS的笔记本电脑包装件跌落仿真研究，建立了瓦楞纸箱、缓冲垫和笔记本电脑的有限元模型，模拟实际的运输流通环境和仓库堆码环境下对模型进行跌落试验，得到笔记本电脑在不同条件下跌落的受力情况[2]。陆维生等进行了基于ANSYS/LS- DYNA的PCB板跌落仿真，分析了跌落高度和缓冲垫对电子机箱上的印刷电路板动态响应的影响[3]。综上可知，对于不带包装的笔记本电脑的跌落分析，还未见相关文献发表

本研究通过三维建模软件Unigraphi

cs（NX）建立产品三维模型，并进行有限元分析，模拟用户在使用过程中不同形式的跌落工况，从而求得笔记本电脑在不同角度跌落时所受的应力应变情况。通过模拟实验所得结果，对于新开发产品采取不同的防范措施来达到最大程度地降低产品破损率[4]。

1 瞬态动力学理论基础

瞬态动力学分析（亦称时间历程分析）是用于确定承受任意的随时间变化载荷结构的动力学响应的一种方法。可以用瞬态动力学分析确定结构在稳态载荷，瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下的随时间变化的位移，应变，应力及力。首先通过模态分析计算出系统的固态频率，然后通过瑞利（Rayleigh）阻尼常数α和β确定M及K值。

式中：M、C、K分别为笔记本的质量、阻尼及刚度矩阵。分别为节点加速度向量、速度向量、位移向量。

在任意给定的时间t，这些方程可以看作是一系列考虑了惯性力和阻尼力的静力学平衡方程。ANSYS程序使用Newmark的时间积分方法在离散点上求解这些方程。

2 笔记本跌落仿真分析

2.1 笔记本有限元模型的建立

笔记本的三维几何模型是在NX中建立的，它包括液晶显示器部分，系统部分，如图1所示，将模型导入ANSYS，进行有限元分析。笔记本所选材料的属性见（表1）。对笔记本的网络划分采用智能划分方式，特别是对角落部分进行了加密处理[5]。划分网格结束后的有限元模型表见表2，效果如图2所示。

2.2 加载条件及后处理

此部分要设定跌落的初始条件，如：跌落的高度，跌落方向和初始速度等。跌落的模拟图如（图3）所示，我们以某个侧边落地为例，跌落的两个主要因素：跌落高度h及跌落时与地面的夹角θ。跌落的高度，参考企业标准及日常使用，大部分电脑桌的桌面离地0.75 m，所以设定跌落高度h为0.75 m。跌落的角度θ不同造成的损坏程度也有不同，受于篇幅限制，本文只阐述损坏最为严重的情况，即当θ=45时的情况。

根据物体自由落体运动方程：

可以计算得出笔记本电脑在落地瞬间速度为3.8 m/s，经过计算，碰撞后的应变及应力图分别如（图4，5）所示，最大弹性应变值为1.8×10-6m，发生在跌落的角落。最大弹性应力值为：23.5 Mpa，出现在与地面接触的角落，应力值在外壳用材质的应力范围内，依然属于弹性变化。

3 结语

本文通过ANSYS对笔记本电脑的跌落作了动态模拟，分析了电脑的整体变形和受力情况，通过该分析可以对产品提出不同的优化方案，从而减少新产品的开发时间，同时还可以减少开发费用，避免了破坏性测试带来的不必要损失。值得指出的是，本文在研究中对笔记本电脑的零部件的结构，外观，及结合处理进行了简化处理，因此有一定的局限性。

参考文献

[1] 王亮.基于ANSYS/LS-DYNA 的电源适配器外壳耐钢球撞击性的分析[J].计算机应用技术，2008，35（7）

[2] 宋日恒，张治国.基于ANASYS的笔记本电脑包装件跌落仿真研究[J].浙江科技学院学报，2009，21（4）.

[3] 陆维生，冯志华，邹甲军.基于ANSYS/LS-DYNA的PCB板跌落仿真[J].苏州大学学报（工科版），2006，26（1）.

[4] 倪正顺，帅词俊.CAE方法中的优化技术及应用[J].现代机械，2002（2）.

[5] 熊建友，辛勇，揭小平，等.ANSYS/LS-DYNA在跌落仿真中的应用[J].计算机辅助工程，2003（6）.

[6] WANG Y Y，LU C，LI J，et al.Simulation o f drop impact reliability for electronic devices[J].Finite Elements in Analysis and Design，2005（41）：667-680.endprint