...的柴油机排气道仿真与优化设计
占智贵 刘明建
摘要：为有效解决智能手机主摄像头蓝玻璃的脆性开裂问题，开展主摄像头跌落的有限元仿真和高加速度冲击测试，结果表明：在高加速度下产生的碰撞力是导致蓝玻璃开裂的根本原因.优化设计方案有效降低蓝玻璃的应力，解决蓝玻璃的开裂问题.
关键词：手机； 主摄像头； 蓝玻璃； 可靠性； 脆性开裂； 跌落测试； 冲击测试； 威布尔分布
中图分类号： TN929.53；TB115.1
文献标志码：B
Abstract：To solve the brittle cracking problem of blue glass in the main camera of intelligent mobile phone effectively， the finite element simulation are performed on the main camera drop and the high acceleration impact test is carried out. The results show that the impact force generated at high acceleration is the main factor that leads to the brittle cracking of blue glass. The optimization design schemes can effectively reduce the stress of blue glass， by which the problem of brittle cracking of blue glass is solved.
Key words：mobile phone； main camera；blue glass； reliability； brittle cracking； drop test； impact test； Weibull distribution
0引言
进入智能手机时代，超薄、极致拍照成为手机发展的趋势.超薄会削弱手机的刚度，降低对摄像头的保护能力；极致拍照需要增大主摄像头的尺寸，使摄像头本体的最大尺寸达到10 mm左右，尺寸增大也导致摄像头本体刚度的降低.跌落测试下摄像头变形增加，内部脆性元件蓝玻璃开裂失效率明显上升.手机蓝玻璃开裂实物见图1.
摄像头蓝玻璃的开裂问题是近2年出现的新问题，目前国内还没有文献单独研究蓝玻璃的冲击开裂失效问题.
本文首先通过三点弯曲测试方法测定蓝玻璃的强度，运用威布尔分布方法确定开裂的应力阈值；
然后建立摄像头和手机结构的详细有限元模型，在整机中进行跌落仿真，分析蓝玻璃的应力分布.采用垂直式冲击试验台对摄像头单体进行加速度冲击试验，证实导致蓝玻璃开裂的原因是摄像头内部撞击.
1主摄像头内部结构简介
摄像头结构可以分为4部分：镜头载体、壳体、蓝玻璃和主板，其内部剖面见图2.蓝玻璃为脆性材料，采用胶水贴附在壳体的塑胶面上.
2蓝玻璃开裂阈值的确定方法
2.1蓝玻璃开裂强度测定
通常可以采用三点弯曲测试方法测定蓝玻璃的开裂强度.将蓝玻璃两端支撑，在跨中施加集中力直至蓝玻璃断裂，测试结果见图3.
2.2威布尔分布方法确定开裂的应力阈值
根据三点弯曲的测试结果可知，蓝玻璃开裂强度的离散性较大，如果采用常规的平均强度值作为开裂应力阈值，会导致失效概率太大.
威布尔分布方法广泛运用于可靠性工程中，电子和机械行业的很多企业将其应用于可靠性和使用寿命分析中.[1-6]由于应力值越小失效概率越低，通常不同的行业和企业根据自身情况确定失效概率.采用威布尔分布方法处理蓝玻璃三点弯曲测试的强度数值，得到强度和概率的分布曲线，见图4.
笔者所在公司通常选择10%失效概率对应的强度数值作为控制开裂的应力阈值，据此确定蓝玻璃的开裂应力阈值为70 MPa.
3跌落仿真方法
3.1网格划分和前处理
网格划分是有限元分析的基础.手机塑胶壳体采用2阶四面体单元C3D10M，五金件采用六面体单元以提高时间步长、计算速度和精度；盖板玻璃采用六面体单元；主板采用实体壳单元；主板上的器件若非重点关注，则可以简单划分成六面体单元.[7-9]
摄像头壳体采用2阶四面体单元C3D10M，内部的蓝玻璃采用实体壳单元，输出蓝玻璃的应力场变量，并将最大主应力作为历史变量输出.
将常用的材料属性分别赋予手机的各个零件，设置好通用接触和相应的边界条件.为缩短动态跌落仿真分析的计算时间，定义合适的质量缩放因数，整机质量放大因数控制在5%以内.整机网格划分和前处理完成结果见图5.
3.2跌落仿真分析和结果
在用户使用过程中，手机跌落方向往往是随机的，面、角、边均可能受到碰撞.跌落方向对整机受力有显著影响.[10]为全面评估跌落的可靠性，根据手机结构特点，面、角、边都需要选择数个方向进行跌落仿真.通过大量仿真，发现手机正面方向跌落时摄像头蓝玻璃的应力最大（结果见图6），最高应力达到128 MPa，而蓝玻璃的应力控制阈值为70 MPa，开裂风险很高.
观察仿真动画可知，摄像头的镜头载体与蓝玻璃背面的塑胶发生明显撞击.输出此处的撞击力，最大达到60.91 N.镜头载体的质量约0.21g，仿真计算的竖向的加速度峰值为2.95×104g，估算最大的竖向冲击力约为61.95 N.估算的冲击力与仿真计算的冲击力基本吻合.在高速冲击下，镜头载体的质量虽然很小，但是由于加速度达到2.95×104g，相当于质量放大2.95万倍，因此冲击力很大，足以导致蓝玻璃开裂.
4摄像头单体冲击可靠性测试
通过上述仿真，初步分析是摄像头内部的镜头载体与蓝玻璃所贴附的塑胶面发生撞击，导致蓝玻璃开裂.为排除摄像头与手机壳体结构发生撞击导致开裂的可能性，开展摄像头单体冲击可靠性测试.主摄像头冲击试验见图7.试验采用某型垂直式冲击台，将摄像头单体固定于冲击台的台面上.设置冲击高度，进行高加速度冲击.冲击台产生正弦形状的加速度波形，加速度峰值为2.2×104g，带宽为0.06 ms.
通过试验可以判断，在高加速度下，摄像头内部的镜头载体与蓝玻璃碰撞是导致蓝玻璃开裂的根本原因.该结论为摄像头的优化设计指明方向.
5摄像头优化设计
解决蓝玻璃开裂问题的思路有2个：一是减小碰撞的力度，二是提高摄像头内部抵抗碰撞的能力.优化设计方案见图8.
由表1可知，优化设计方案对蓝玻璃的应力有显著改善，case 4应力为32 MPa，而蓝玻璃开裂阈值为70 MPa，蓝玻璃开裂风险得到有效控制.
对优化设计后的摄像头进行跌落可靠性验证，证明蓝玻璃开裂问题解决.
6结束语
1）通过实测确定蓝玻璃的强度，再采用威布尔分布方法确定开裂的应力阈值，该方法运用于仿真分析可行.
2）使用Abaqus进行有限元仿真，在设计阶段就可以及时发现主摄像头设计缺陷，通过试验与仿真相结合的方法排查开裂原因，选择正确的优化设计方法，并进行仿真验证，可以大幅降低改模成本，缩短新项目开发时间.
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（编辑武晓英）
