笔记本强度分析及优化设计

论文总字数：23691字

摘 要

本课题主要研究笔记本转轴的强度，以一种类型的转轴为例，分析转轴应力集中、易断裂的截面，从而合理的改善笔记转轴的强度，提升用户的体验；一方面了解笔记本的整体模型，简化对转轴强度影响比较小的部分，建立笔记本的简化整机模型，并对整个模型划分四边形网格、建立约束、添加载荷，最后在ANSYS中进行仿真分析，得出转轴处的应力分布图。

根据强度理论的分析方法，用转轴上的最大应力作为评价转轴强度的标准，针对减小转轴部件的应力大小，后续的优化设计主要从转轴的材料、结构以及链接方式着手考虑，分析不同的性能参数下的材料、在应力集中部位增加加强筋或者使用圆弧过渡以及采用多种连接方式组合的情况下对转轴处应力的影响，发现从这三个方面，都能在一定程度上较小转轴处的应力，增强其强度。

对于一般的转轴优化，首先明确转轴使用的环境工况，了解不同材料参数的对其性能的影响，最后寻找满足需求的材料，对于已有的在转轴结构，在不影响使用的情况下，在应力集中地连接部位或者转折处添加合适的结构，从而达到增强其强度的目的。

关键词：强度； 笔记本转轴； ANSYS仿真分析； 优化设计

Notebook Strength Analysis and Optimization Design

02011520 Bin Tang

Supervised by Xi Lu

Abstract：With the continuous development of notebook, notebook more and more into people's social life, entertainment were gone, and along with the development of technology, notebook both in performance and appearance has a significant upgrade.

The main strength of this paper notebook shaft, in a type of shaft, for example, analyze the shaft stress concentration, easy to break the cross-section, so that the intensity of reasonable improvement notes shaft, enhance the user experience; on the one hand to know your whole model, Simplify the shaft intensity in relatively small part of the whole set up simplified model of the notebook, and the whole model is divided quadrilateral mesh, the establishment of binding, add a load, and finally simulation in ANSYS stress distribution obtained at the shaft.

According to the analysis method of strength theory, with the maximum stress on the shaft as the criteria for evaluating the strength of the shaft, the shaft member for reducing the amount of stress, subsequent optimization design mainly from the rotational axis of the material, structure, and chaining proceed to consider, analyze different performance material parameters under increased stress concentration in the ribs or using arc transition and the use of various combinations affecting the connection to hinge stress found from the three aspects, can to some extent, a smaller shaft the Stress and enhance its strength.

For general optimization shaft, the shaft first clear use of environmental conditions, to understand the impact of different material parameters of its performance, and finally seek to meet the needs of the material in the shaft for the existing structure, without affecting the use of the case, stress concentration joints or add the appropriate structure turning point, so as to achieve the purpose of enhancing its strength.

Key words: Strength; notebook shaft; ANSYS simulation analysis; optimization design

目 录

独创性声明…………………………………………………………………………………I

摘要………………………………………………………………………………………II

Abstract…………………………………………………………………………………III

目录………………………………………………………………………………………IV

1、绪论………………………………………………………………………………………1

1.1、选题的背景和意义…………………………………………………………………1

1.2、各类转轴的国内外研究现状………………………………………………………1

1.3、本课题的研究内容…………………………………………………………………4

2、强度理论…………………………………………………………………………5

2.1、强度理论的概念……………………………………………………………………5

2.2、常用的强度理论……………………………………………………………………5

2.3、常用强度理论的适用范围…………………………………………………………6

2.4、本章小结……………………………………………………………………………7

3、三维模型建立…………………………………………………………………………8

3.1、实用软件介绍…………………………………………………………………8

3.2、模型简化的基本方案…………………………………………………………8

3.3、模型的绘制……………………………………………………………………8

3.4、本章小结………………………………………………………………………11

4、3D网格划分…………………………………………………………………………12

4.1、HyperMesh简介…………………………………………………………………12

4.2、四面体体网格的优缺点…………………………………………………………12

4.3、网格划分…………………………………………………………………………12

4.4、ansys前处理……………………………………………………………………14

4.5、本章小结…………………………………………………………………………18

5、ANSYS仿真分析………………………………………………………………………19

5.1、ansys简介………………………………………………………………………19

5.2、仿真分析…………………………………………………………………………19

5.3、本章小结…………………………………………………………………………23

6、优化设计………………………………………………………………………………24

6.1、材料…………………………………………………………………………………24

6.2、增加圆弧过渡………………………………………………………………………25

6.3、折弯…………………………………………………………………………………25

6.4、连接方式……………………………………………………………………………26

6.5、本章小结……………………………………………………………………………27

7、展望与总结……………………………………………………………………………28

7.1、总结………………………………………………………………………………28

7.2、展望………………………………………………………………………………28

致谢………………………………………………………………………………………29

参考文献…………………………………………………………………………………30

笔记本强度分析及优化设计

1、 绪论

1.1、选题的背景和意义

随着半导体的快速发展，以及高速网路的迅速普及，于此同时结合通讯、电脑、和消费性电子这三大产品的领域，3C 产业已经乘着数字时代的脚步，世界性的新兴科技产业随之快速成型。伴随着3C行业的高速发展，消费电子行业的竞争日益白热化，当前的软件与硬件已经越来越不能满足新用户日益增长的需求，而且用户们对机构件要求也越来越苛刻，不论从性能还是到外挂都有了新的要求。世界著名的品牌商如苹果、谷歌、索尼和联想等企业纷纷加大研发投入的力度，争取在性能、使用等各个方面，给用户提供最极致的体验。

而伴随着电子信息产业和技术的快速发展，笔记本越来越多的融入到人们的日常生活中，从工作到学习，从生活到娱乐，笔记本将成为我们生活中必不可少的一部分；而科技的进步，使得笔记本不论从外观到还是到性能都有了重大的提升，超轻超薄是时下笔记本电脑的主要发展方向，这对作为承接笔记本显示屏和功能区的连接部位——转轴，有了更加苛刻的要求，从它的材料到加工工艺，从它的人性化结构到尺寸大小，都将面临更加严峻的挑战。

笔记本转轴是笔记本中精细但是又是非常重要的、必不可少的组成部分。目前芯片技术的快速发展，笔记本的性能得到了非常大的提高，同时随着消费者审美的变化以及个性化的需求，笔记本不仅仅要在性能方面，同时也要在外观方面做出巨大的改善。笔记本从最初的傻大粗，变为现在的纤薄便携，转轴结构也需要必要的优化而满足人们日益增长的需求，一个好的转轴不仅能够充分利用笔记本的空间，有效改善笔记本的外观，也可以适应性的增加笔记本的功能，如旋转的角度、两个自由度的旋转等，同时也对笔记本的性能又一定的改善，设计特殊的转轴，提高笔记本的散热等，还可以增加由转轴结构带来的增加的插孔等，所以一个好的转轴结构对提升笔记本的性能是非常有帮助的。

本课题从转轴及其连接铁件的强度考虑，分析转轴及其连接件在正常转动过程中的受力、损坏的形式、结构不同带来的影响等方面，立足于制造更稳定、使用时间更长的、结构更加完善的转轴，增强用户的体验，另一方面也为以后笔记本的发展提供可靠地硬件支持。

1.2、各类转轴的国内外研究现状

笔记本转轴是用于实现笔记本的主机体与显示屏转动连接的铰链机构，目前的笔记本转轴按照使用类型，可以分为为普通转轴、摩擦类转轴等[15]；普通转轴是由弹簧和凸轮机构组成的，利用凸轮的偏心以及弹簧的弹力产生扭矩，而摩擦类转轴是由摩擦产生扭矩的，并且根据结构可以分为双包型、一字型、凸轮机构以及双轴结构；针对不同类型转轴，可以分别从转轴材料的选择，转轴扭矩产生的机理、转轴连接的结构等方面，对比分析不同类型下转轴的性能，从而对转轴的设计以及量产的整个过程进行研究。

对于转轴的研究，对于与大多数是通过软件分析和实验相结合的办法实现的；对于软件，可以利用Mini-tab等软件，进行转轴扭矩影响因素的研究，从而得到转轴扭矩的理论的计算公式，为之后的各项转轴研究提供可靠地理论依据，节省了开发的时间和成本；试验是通过开发转轴寿命的检测仪器，通过对转轴进行磨损的实验，研究转轴从长期开合磨损失效的影响因素，通过实验找到其中的关键因素；最后根据实验的结果找到的关键因素，研究不同的加工工艺对转轴磨损的影响，从而提高转轴的性能。

1.2.1、市场转轴的类型

笔记本转轴是多种多样的，但是从各类笔记本厂商的看，笔记本转轴主要有两类：一类是突起式转轴，这类转轴是固定在主机上的，转动部位是突出的，并通过活动部位与屏幕相连，从而形成该结构；另一类转轴是下沉式转轴，该转轴是固定在屏幕的，转动部位是随着屏幕的转动下沉，并通过转轴与主机相连。[14]这两类转轴主要在固定端的不同形成的两种不同类型的转轴结构。

1.2.2、各类转轴的优缺点

首先突起式转轴的最大的优点是在一定程度上能够更加有效的利用笔记本的空间资源，因为该结构转轴下，屏幕在打开的过程中，整个屏幕是向上升的，因为不会遮盖主笔记本的后面空间，从而可以方便的在笔记本的这个部位设置更多的端口，但是对于目前的笔记本来说，这一部分功能的增加对笔记本的性能的提升有限，期待更有效的笔记本空间利用方式；同时，突起式转轴在开合过程中受到的阻碍遮挡几乎很少，从而使得屏幕可以打开更大的角度，甚至能够到150°到180°之间，笔记本的使用更加随心所欲[17]；但是缺点越是明显的，突起式转轴要保证其强度和有效的阻尼来保证屏幕的转动，这样就导致了突出的部分需要足够大才能满足要求，但是这也导致笔记本上盖的厚度增加，对于现今追求轻薄的笔记本来说无疑不行的。

但是下沉式转轴却很好的适应了当今笔记本越发轻薄的趋势，由于下沉式转轴的固定端是连接在较厚的主机部分，这样就不会产生因为笔记本转轴的因素而导致屏幕被迫的增加厚的现象了；但是，下沉式转轴在屏幕打开的过程中，由于结构方面的因素，屏幕随着旋转会下沉，因此在某些情况下，会更加的便利；但是下沉式转轴也存在一些问题，相对来说更容易这个当笔记本的后面，对这部分想要设置端口的就更加困难；还有在旋转中屏幕下沉接触到笔记本的后面，所以开合的角度不能达到最大吧，一般来说只能达到120°到130°之间，不如突起式转轴。

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