基于手机后盖三维造型设计与结构分析的应用研究＊

罗永洪，吴浪武

（南昌大学科学技术学院，江西九江 332020）

随着计算机技术的快速发展，在工业产品设计论法域中传统的手工设计方案已经不能适应现代科技发展，产品的外形设计越来越趋于无纸化和参数化设计，国外发达的国家已经大量使用CAD/CAM/CAE 计算机辅助设计软件对工业产品进行外形设计并分析其结构设计是否合理。本文对手机后盖的结构预期效果进行了初步分析，使用UG 软件中的CAD 功能对其进行参数化建模设计，其核心是通过简单的改变模型中的参数值建立和分析新的模型，使产品数据修改更加快速便捷。为验证其产品设计的合理性，运用UG CAE 功能和Ansys Workbench 软件对产品进行有限元结构分析，在分析过程中首先对模型结构进行简化，以求产品在正常使用过程中不发生明显的塑性变形，以期在满足实际要求的前提下，最终达到优化产品的效果。

1 产品构思

将手机外壳左上角设计成双圆头孔，是为了体现摄像头的对称美，使其背面中上位置既简单美观，用户手持手机时又不会遮住摄像头影响拍摄功能。手机充电接口和耳机孔设计时应考虑使用者的习惯，一般手机音量键和关机键设计在手机的2 个侧面。用户在使用手机时通常是用右手操作手机，大拇指和中指可以完全掌控电源键和音量键，这种设计方案可以快速按到电源键和音量键，不会产生误操作，以上设计符合人体工程学[1]。

有研究表明人们感受产品的材料主要依靠视觉和触觉，因此在设计过程中要需要考虑这些方面的因素。在触觉方面，本次产品设计的原材料采用ADS 材料，这种材料给人的第一触觉可使消费者产生粗、干、乱、脏等不快的心理情绪，影响消费者对产品的触觉印象。为了解决这一问题，设计外观时在材料表面镀一层黄铜，看上去很细腻、光洁，让用户更容易接触和接受。在材料的视觉质感方面，采用两侧面流线似的曲面轮廓过渡与变化来展现美观的圆润性造型，整个产品的造型简单，风格极简，营造了一种对称美。

2 产品三维造型设计

工业产品的三维造型设计常用的的软件有Catia、UG NX 等，其中UG NX 是三维造型设计主流设计软件，有着强大的三维造型设计和曲面设计模块，利用其强大的参数化功能特点可以快速完成工业产品三维造型后的模型数据设计更新与修改。为了快速有效进行手机后盖产品的三维造型设计，本文利用Siemens NX12.0 进行手机后盖的三维造型设计。

主要三维造型设计[1]步骤如下：①绘制草图。以XY平面为草图绘制平面，在草图中创建长155 mm、宽75 mm 的矩形，在其四周按圆角半径为8 mm 去修剪，然后以XZ平面为草图二的绘制平面，绘制半径为37.5 mm 的圆弧，圆弧两端点用约束对齐，使其间距为7.7 mm。②扫掠。在工具栏中选择插入命令，在弹出的窗口中选择扫掠命令，根据要求以草图对象二的圆弧为扫掠截面，以草图对象一绘制的圆角矩形为引导线扫掠出两侧面的轮廓。③拉伸。在工具栏中选择拉伸命令，并在手机壳的侧面进行拉伸处理，然后进行布尔运算。④有界平面。在工具栏中选择曲面选项，在下拉菜单中选择有界曲面命令，把手机外壳的片体生成出来。⑤缝合。利用缝合命令，把侧面和底面中的2 个片体缝合起来形成一个整体。⑥加厚。使用加厚命令，使其缝合中的个体向外加厚2 mm 形成实体。⑦倒圆角。双击倒圆角命令，把特征边进行倒圆角处理，倒圆角半径为0.5 mm。⑧外观设计。为手机外壳进行上色处理，最终产品的三维模型图如图1 所示。

图1 手机后盖

3 有限元结构分析

有限元分析的基本思路是将产品结构进行离散化处理，再分解成多个容易分析的单元从而来表达复杂的产品对象，而分解成的单元之间又通过有限的结点进行相互连接，然后根据产品变形协调进行最终求解。运用有限元分析方法，对于产品师来说是一种必要的分析手段，它能在短期内使产品设计师提前评估产品结构设计的合理性、缩短设计的周期和成本。常用的有限元分析工具有ABAQUS、ANSYS 等，本文采用UG CAE 功能和Ansys Workbench 软件对手机后盖进行合理性结构分析。

3.1 分析步骤

有限元分析[2]步骤主要包括前处理、求解运算、后处理3 部分，其分析的核心是前处理，前处理又包括用户根据产品实际情形定义求解模型。产品结构微小部位可简化求解模型，具体步骤包括定义求解问题的几何区域、定义单元类型、赋予单元的材料属性、设置单元的几何属性、定义单元的连通性、定义单元的基函数、限制边界条件、给予载荷的大小和方向8 个步骤。

3.2 UG CAE 分析[3]

UG CAE 分析步骤如下：①点击UG 文件命令，在其下拉菜单中选择所有应用模块，在其子目录下选择设计仿真功能，然后进入有限元分析模块工作界面，并在其弹出的窗口中把创建理想化模型勾选。②设置产品的材料，点击指派材料命令，在其库材料选项中选择ABS 材料，然后点击确定。③点击网格控制，根据手机外壳的实际受力情况可知里面受力的大小，两侧面受到的力几乎可以忽略不计，在弹出的命令框中根据要求调节单元数（单元数越小，计算越准确，越接近实际情况，但是解算时间也相对较长），这里选择默认的单元数3 作为分析的最小单元数。④创建3D 四面体，点击网格参数里面的单元大小自动创建（UG 会根据产品的大小自动选择合适的单元大小）。⑤点击单元质量分析（检查由于过度扭曲而无法得出较佳结果的单元），在提示栏中会出现0 个失败单元、0 个警告单元，表明单元处理得比较完美，若不为0，则需要调整自己的模型。⑥点击载荷容器，模拟产品在实际运作中可能受到的力的大小，假定力的大小为15 kN，设计好力的幅值和方向。点击约束容器，把手机外壳的底面设置为固定面，模拟实际情况。进行受力解算，双击结果按钮进行详细的参数分析。主要查看应力、位移云图，从该分析可知产品未出现明显的塑性变形，满足实际使用要求。

3.3 理论计算和仿真分析

手机外壳的状态一般分为用户不使用手机、用户使用手机2 种情况，下面分别对以上2 种情形进行分析。

用户不使用手机时，可能将手机放置在桌子上（手机外壳底面承受手机全部的重量），也可能放置在口袋里（手机壳的下侧面承受手机整体的重量）。经过简单分析可知，后者更容易出现挤压变形，因此以后者为研究对象，建立力学模型。

查阅相关资料可知ABS 的弹性模量E=2.2 GPa，泊松比为0.394，手机外壳下底面为凹型面，向下投影测量可知长L=155 mm，高H=2 mm，宽W=75 mm。该模型受横向力载荷，横向尺寸将会发生变化，且满足胡克定律。S=L×W=155×75=11 625 mm2，

分析云图是使用Ansys Workbench 有限元软件[3]分析的结果，如图2 所示。

图2 分析云图

分析图2 可知，手机外壳下的压缩位置最长为0.000 101 75 mm，而这与理论计算的结果（0.000 117 3 mm）基本一致（在误差允许的范围）。

用户在使用手机时，手掌托着手机，用手指在屏幕上面不停点击。可以把手机外壳的受力情形简化成悬臂梁受力情形[4]。可测量出L=135 mm，B=75 mm，H=2 mm。

弯矩M=F×L=1.5×135=202.5 N·mm。截面惯性量IZ=BH3/12=（75×23）/12=50 mm4。

计算最大应力处，σmax=Mymax/IZ=（202.55×1）/50=4.05 MPa（拉应力），σmax=Mymax/IZ=[202.55×（-1）]/50=-4.05 MPa（压应力）。

通过查阅相关资料[4]发现，手机后盖使用的材料ABS 的许用应力为24.5 MPa，其最大应力小于许用应力，故经检验其产品设计的强度满足使用要求。

4 结论

手机后盖塑料件产品结构使用寿命要求比较高，使用CAD/CAM/CAE 辅助设计软件可快速完成其产品外形参数化造型设计，其结构是否合理可以运用Ansys Workbench 和UG CAE 静力学功能进行有限元结构分析，快速修改结构不合理之处，提高了手机后盖三维造型设计数据的正确性和结构的合理性，使设计出的手机外观符合人体工程学，在设计中体现出轻、薄、使用寿命长等优点，达到优化产品的目的。