笔记本电脑顶盖外壳优化设计

摘要

目前，笔记本朝着更轻、更薄设计方向发展。然而，由于笔记本顶盖外壳结构一个主要的功能是对LCD进行保护，因此顶盖在进行轻量化设计的同时，需要兼顾其力学性能。本文以三星公司(Samsung)一款笔记本电脑为样本，依托CAE技术平台，对顶盖外壳的轻量化设计开展以下几方面工作:
　　1.运用分级优化设计技术对传统材质外壳进行结构优化。首先建立笔记本电脑主要部件的有限元模型，同时实验验证有限元模型精确性;然后运用拓扑优化技术优化顶盖与前框的主传力路径和运用形貌优化技术对顶盖外壳内曲面进行重构，得到原模型优化设计方案;最后依据设计方案生产出样品，并设计静压实验验证。实验结果显示，样品模型在质量增加不大情况下(3％)，刚度平均提高3.6％和16.8％。
　　2.探讨先进复合材料在顶盖外壳材质应用与发展，运用三相优化(3-Phase Optimization)技术对复合材料笔记本外壳进行轻量化设计。首先总结市场上主流笔记本外壳材质的应用情况，从力学性能、生产成本等方面给予评述;然后调研先进复合材料在航空航天、车辆等领域的发展应用概况，分析了碳纤维复合材料(CFRP)应用于外壳材质设计并提出了夹层结构应用于外壳设计构想;最后运用三相优化技术，分别对复合材料笔记本外壳进行铺层角度、厚度和铺层顺序优化，同时考虑制造约束。优化结果显示，顶盖结构刚度仅增加2％，而质量减轻1/3。
　　3.研究了跌落工况下笔记本内部件力学性能变化，着重讨论了夹层结构的应用对外壳动态性能优化情况。首先建立钛合金笔记本电脑主要部件本构模型及失效模型;其次详细的分析了面跌落、棱跌落以及角跌落工况下，顶盖、LCD、支架的力学行为（塑性变形、失效破坏等）;最后探讨钛合金面板铝蜂窝芯材夹层结构对外壳动态力学性能的提升作用。
　　本文的贡献在于:1.阐述了分级优化设计和三相优化设计方法，并将其分别应用于各向同性材料和复合材料笔记本外壳设计，同时结合实验进行论证。2.借鉴复合材料在其他领域应用和发展，从力学性能、生产成本等方面评述先进复合材料在外壳设计中的可行性，提出夹层结构应用于外壳设计构想，并从提升抗震、耐摔角度进行仿真分析。

目录

声明

摘要

主要英文专有名词及说明

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 轻量化技术发展

1．2．1 工程优化技术理论发展

1．2．2 轻量化设计方法国内外应用研究现状

1．2．3 轻量化材料发展及应用概况

1．3 课题研究目的和意义

1．4 课题研究主要内容

第二章 顶盖结构静力学分析及实验验证

2．1 引言

2．2 物理模型分析

2．2．1 物理模型结构

2．3 有限元模型建立

2．3．1 几何模型简化及部件性能参数

2．3．2 网格划分及单元选择

2．3．3 拟采用的有限元分析方案

2．3．4 接触设置

2．3．5 边界条件

2．3 外壳结构有限元分析

2．3．1 顶盖静力分析结果

2．3．2 LCD静力分析结果

2．3．3 支架静力分析结果

2．4 静压实验

2．4．1 实验原理及目的

2．4．2 实验仪器

2．4．3 实验过程

2．4．4 实验结果与误差分析

2．4．5 实验结果与仿真结果对比分析

2．5 基于板壳理论的外壳挠度计算

2．5．1 引言

2．5．2 外壳挠度的数值解

2．5．3 外壳挠度的解析解

2．5．4 外壳挠度的有限元解

2．5．5 三种方法结果对比

2．6 本章小结

第三章 顶盖静力学结构优化设计

3．1 引言

3．2 OptiStruct的优化流程和理论基础

3．2．1 OptiStruct内部优化流程

3．2．2 灵敏度分析

3．2．3 近似模型拟合

3．2．4 寻优策略

3．3 轻量化设计方法

3．3．1 分级优化设计方法

3．3．2 拓扑优化

3．3．3 形貌优化

3．4 顶盖结构的分级优化

3．4．1 优化设计工况

3．4．2 传力优化设计及结果分析

3．4．3 内曲面优化设计及结果分析

3．5 模型重构及有限元分析

3．5．1 设计方案

3．5．2 样品模型及材料属性

3．5．3 有限元模型

3．6 优化结果验证及对比分析

3．6．1 静压试验

3．6．2 计算机仿真结果

3．6．3 优化结果对比及分析

3．7 本章小结

第四章 复合材料顶盖结构优化设计

4．1 引言

4．2 几种材料的应用

4．2．1 几种常用材料的应用

4．2．2 关于夹层结构应用的调研与构想

4．3 复合材料优化设计

4．3．1 复合材料结构优化和减重技术

4．3．2 分级优化设计思想

4．4 碳纤维复合材料笔记本外壳分级优化设计

4．4．1 优化设计工况

4．4．2 概念设计——自由尺寸优化

4．4．3 系统设计——尺寸优化

4．4．4 精细设计——铺层次序优化

4．4．5 优化结果评价

4．5 本章小结

第五章 顶盖动力学结构优化设计

5．1 引言

5．2 跌落仿真设置

5．2．1 跌落测试标准

5．2．2 Radioss Block简介

5．2．3 参数设置

5．3 仿真结果

5．3．1 面跌落

5．3．2 棱跌落

5．3．3 角跌落

5．4 优化设计

5．4．1 蜂窝夹层结构

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 进一步研究展望

致谢

参考文献