仿真技术在电子产品结构设计中的应用

　　1 概述

　　随着计算机技术的飞速发展和人们生活水平的提高，个人电脑已经大量进入消费者家庭，以前作为机器设备的个人计算机，已经越来越多地变成了消费者家庭生活中不可缺少的重要的消费电子产品，于是，消费者对计算机产品的品质追求也越来越高，绿色环保、静音、高可靠、人性化设计已经成为计算机产品几项最重要的竞争力。

　　在过去的产品开发中，以上问题的解决较多地依赖于工程师的个人经验和对物理样机的实际测试，这些问题的发现和解决较多地在产品设计的后端或工程化阶段，在市场竞争日益激烈的今天，效率就意味着竞争力，这种滞后的产品开发模式直接影响到了企业的产品竞争力，联想作为全球第三大计算机厂商，很早就意识到了这些问题，并且从2000年就开始着手解决这些问题。

　　有限元(Finite Element Method , FEM)技术从60年代出现以来，有了飞速的发展，它和日新月异的计算机技术相结合，在生产、科研、教学等各个领域得到了广泛的应用，显示出了巨大的经济效益和技术效益，FEM技术的发展为联想解决工作所遇到的问题带来了契机。在各种现代计算技术的基础上，仿真设计作为最重要虚拟设计和虚拟制造的手段，过去的这些年中在联想的各类产品开发中得到了成功的应用，联想在仿真技术的应用方面已经走在了全球IT行业的最前列。

　　以下，将分几部分来具体介绍仿真技术在联想产品开发中的应用：

　　散热和噪音、电磁屏蔽

　　振动和噪音

　　冲击、跌落、疲劳等可靠性问题

　　冲压、注塑等工艺问题

　　2 散热和噪音、电磁屏蔽

　　散热、噪音、电磁屏蔽，这三者之间有着复杂的联系和依存的关系。

　　2.1 散热

　　散热问题，就是如何在整机结构中，设计良好的系统风路，使得机器内所有发热部件产生的热量能够顺畅地排到系统之外，使系统内各部件工作在适意的 温度范围内，目前解决散热问题，不管采用何种方法，都离不开风扇，在计算机的壳体上都会有或多或少的一定形状的散热孔。

　　2.2 噪音

　　噪音问题，其来源无外乎以下几种：系统内气流的摩擦造成的流体噪音、部件自身运转的机械噪音(如风扇的转动)、振动部件与机箱结构固有频率产生偶合而引起的共振振动，这一节主要讨论前两类型的噪音问题。

　　2.3 电磁屏蔽

　　电磁屏蔽问题，就是如何设计有效的防护结构，使计算机的壳体能够很好地将各种电磁波屏蔽在机箱内部或是使泄露限制在一定范围内。

　　2.4 散热、噪音、电磁屏蔽之间的相互联系

　　从以上介绍可以看出，散热、噪音、电磁屏蔽这三者之间并非完全孤立的，在做整机系统的设计当中，我们必需全面加以考虑。

　　散热、噪音和电磁屏蔽，在电子产品中，是几个密切相关、相互影响的关联问题，有时又存在着矛盾，如何很好地解决这些问题，仅仅依靠测试就显得束手无策了。比如为了提高散热效果，常常要选择大功率、高转速的风扇，这样势必增大了机器的噪音，为了提高散热效果，在电子产品的金属壳体上必须开通风孔，这些通风孔的存在就可能导致内部电磁波的泄漏，产生对人体和周围其他电子设备的干扰，在这几个矛盾而又相互依存的问题中，对于电子产品本身来说，散热是最重要的，从这个角度而言，首当其冲的就是要解决好散热问题，在解决散热问题的同时，对噪音和电磁屏蔽进行有效的优化设计和分析，使其三者实现最优化的合理配置，协同来解决这些问题。

　　2.5 联想产品的散热、噪音设计

　　目前，在联想产品开发中，已经大量运用计算机仿真的技术和手段来解决散热问题，通过仿真分析，合理进行系统布局并优化系统的风路设计(如图1所示)，优化风扇扇叶和扇形的设计(如图2所示)，优化散热器形态和齿形的设计，这些综合手段的运用，使得联想计算机产品(台式电脑、笔记本、服务器)的热设计和噪音设计达到了世界领先水平。

　　3.1 振动和噪音概述

　　从物理学知识我们可以知道，自然界的每一个物体都存在着其本身的固有频率和模态，这个固有频率只与物体本身的结构、形式、大小、材料等因素有关，它不受外界条件的改变而改变。外界的激励源有着不同的频率，当此激振频率与物体固有频率相近时，就会产生频率偶合与共振现象，会对结构产生很大的破坏作用，不可避免地产生很大的噪音。如果我们能够事先预测物体的固有频率与激励源的频率，就可以有效地避免共振和偶合现象的发生，就可以有效地从根源上来降低噪音。

　　3.2 联想产品的振动噪音分析

　　经过多年的实践和摸索，联想在产品设计和开发的前期，在系统布局和结构设计阶段，针对所建立的系统、部件和机箱结构模型，先通过仿真分析方法来计算机箱等结构件的各阶固有频率和振型，同时将硬盘、风扇等主要激励源，对整套计算机系统进行有效的模态分析和频响分析，以此来解决由于共振产生的振动噪音问题。未来，随着用户生活品质需求的不断提升，随着硬盘容量的不断加大，随着硬盘转速的不断提升，随着机箱等结构件形态的千变万化，共振噪音这个问题势必更加突出，不通过仿真分析的方法，这个问题就变得更加难以解决。

　　计算机仿真技术和实验模态法的有效结合，联想产品(台式机、笔记本、服务器)在共振噪音这一技术指标的设计和控制上，在业界处于领先水平。如图3、4、5所示。

　　4 冲击、跌落、疲劳性问题

　　4.1 电子产品的冲击、跌落、疲劳性问题

　　在电子产品的可靠性设计要求中，冲击、跌落是几项非常重要的指标，依靠传统的设计方法，只能是对实体产品进行物理测试来判断产品设计的可靠性，这些物理测试是卓有成效的，但是在现代产品开发中有显现出了其难以克服的局限性：

　　1.物理测试只能在物理样机完成后，在产品的实效性上难以满足日益激烈的竞争需求，产品开发的周期长，破坏性的物理样机测试使得开发成本加大;

　　2.物理样机测试，往往得到的是大量的宏观数据，对于已经存在的潜在的实效隐患难以发现;

　　3.对于需要长时间才能显现的疲劳问题，物理实验需要大量的时间，也许几周或几个月的测试周期，无法适应现代快节奏产品开发的需求;

　　4. 对于一些特殊的产品，由于在物理样机阶段无法按照未来量产的工艺要求实现，物理测试就显得无任何参考价值，比如手机以CNC方式完成的物理样机和量产时注塑成型的产品，其机械性能不可同日而语。

　　4.2 联想产品的冲击、跌落、疲劳仿真分析

　　以上诸多问题，使得现代产品开发中，对于冲击、跌落、疲劳等可靠性问题的仿真分析显得尤其重要，联想在各类型产品(手机、台式机、笔记本、服务器、数码产品)开发中，普遍应用仿真技术(如图6、7所示)，已经很好地解决了以上问题，仿真分析的实效性和准确性已经得到了长时间的实践验证，成为产品开发中必须环节之一。

　　5 冲压、注塑等工艺问题

　　冲压和注塑是当今大批量工业化制造中应用最广泛的两项工艺技术，联想设计和制造的各类产品(手机、台式机、笔记本、服务器、外设产品、数码产品)都广泛使用这些工艺。当今的IT产品和个人消费电子产品，对于外观设计的要求越来越高，对于复杂的外观形态和特殊的表面效果要求，这些都是对冲压和注塑等传统技术的更高要求。为了实现更加有品质的设计，联想也同样运用仿真技术对一些重要外观部件在设计前期进行工艺分析，以减少未来的外观缺陷和质量风险。

　　 　　为了很好地将仿真技术应用于实际产品开发，联想集团从2000年开始，在公司级研发中设立了仿真技术中心和仿真实验室，全面开展结构仿真和CFD技术仿真，在产品开发中很好地解决了散热、噪音、冲击、振动、跌落、疲劳等一系列产品中的棘手问题，极大地促进了各类产品品质的提升，目前，在联想的各类型产品中，仿真设计和仿真分析已经成为产品开发流程中的重要环节之一。

　　目前在联想的仿真实验室中，配备了先进的有限元仿真分析软件，如MSC Patran、MSC Nastran、MSC Dytran、Abaqus、Hypermesh等，在实际产品开发中发挥出了很大的作用，有效支持了产品的开发，同时，联想也和这些软件厂商建立了良好的合作关系，并且和其中一些厂商建立起了联合的仿真技术中心，共同推动了仿真技术在中国IT产业普及和发展。