2023年12月21日发(作者：犹宏放)
第18卷 第10期 中 国 水 运 Vol.18
No.10
2018年 10月
China Water Transport October
2018
360°翻转笔记本电脑转轴力学性能研究及优化
李森林，沈景凤，仲梁维，张 邢
（上海理工大学，上海 200093）
摘 要：运用有限元方法对一种360°翻转笔记本电脑转轴的强度及寿命进行分析研究。利用SolidWorks和Workbench协同仿真功能，对转轴结构的两种工作状态（90°和0°开合位置）分别进行强度分析和疲劳寿命分析。仿真结果表明转轴上部支架及芯轴局部应力集中，40,000次循环加载会导致疲劳断裂。通过有限元分析软件对转轴薄弱环节的结构和尺寸进行改进优化，优化结构后的转轴强度明显改善，并且寿命达到最大设计使用寿命要求。通过运用有限元方法不仅能快速分析转轴强度，而且对于提高转轴强度、使用寿命、缩短转轴设计周期具有一定的参考意义。
关键词：笔记本电脑转轴；支架；强度；疲劳寿命；Workbench
中图分类号：TP368 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2018）10-0127-03
笔记本电脑转轴是连接笔记本电脑显示模组和主机模组的重要功能性结构件。现今随着笔记本电的发展，360°翻转的轻薄笔记本电脑倍受人们青睐。作为实现笔记本电脑360°翻转功能的转轴有了更严苛的设计要求。体积更小、重量更轻、性能更优、种类多样化、设计生产快速化是转轴行业发展遇到的新挑战。目前转轴从设计到生产需要约半年的漫长周期，在这个过程中通过对初始设计产品在笔记本电脑摇摆测试仪等仪器上进行各种测试，来确定产品功能和寿命是否满足要求。整个周期时间久、效率低。
一、转轴结构强度分析
转轴是一个频繁开合的部件，在实际测试及使用过程中转轴结构最容易发生失效形式是疲劳断裂，利用SolidWorks和Workbench协同仿真分析功能对转轴结构进行应力分布状况及疲劳寿命分析计算。在有限元方法的帮助下可以在设计过程中快速发现设计中存在的缺陷，优化设计，缩短转轴的设计周期提高效率、为设计提供重要的优化参考依据。
1．前处理
由于连接笔记本电脑显示模组和主机模组的左右两个转轴为对称结构，且受力一致，因此本文只对其中一边结构进行研究分析。
360°旋转转轴各零部件之间的运动复杂，考虑转轴的受力情况和有限元计算的要求，对模型进行简化，如图1（90°工作状态）、图2（0°工作状态）所示。
图1 转轴模型简化图（90°）
收稿日期：2018-05-24
作者简介：李森林（1993-），男，河南人，上海理工大学，在读硕士研究生，主要研究方向为计算机辅助设计、CAE。
图3 载荷约束施加示图
A—对转轴下部支架螺钉孔位置施加固定约束Fixed
Support，限制转轴下部支架的六个自由度。
B—转轴扭矩大小是根据笔记本显示器重量及重心位置所确定，本转轴设计扭矩为0.5N·m。对转轴上部支架外圆
图2 转轴模型简化图（0°）
本结构中上部支架和下部支架及两轴连接支架材料为S50C，芯轴材料为40cr，摩擦垫片采用粉末冶金材料SKD11，SKD11具有良好的韧性与抗高温疲劳性能。其他部件为厂内的标准件。将材料属性参数添加到各零件。
有限元计算中只有网格的节点和单元参与计算，网格的结构和疏密程度直接影响到计算结果的精度。合理的调整收敛控制选项，并且达到满足要求的计算结果。计算还需要考虑网格无关性的问题，本次计算采用六面体主导网格划分，即使计算中网格退化为金字塔单元或四面体单元，精度仍然能够得到保证。
2．载荷及边界条件
2023年12月21日发(作者：犹宏放)
第18卷 第10期 中 国 水 运 Vol.18
No.10
2018年 10月
China Water Transport October
2018
360°翻转笔记本电脑转轴力学性能研究及优化
李森林，沈景凤，仲梁维，张 邢
（上海理工大学，上海 200093）
摘 要：运用有限元方法对一种360°翻转笔记本电脑转轴的强度及寿命进行分析研究。利用SolidWorks和Workbench协同仿真功能，对转轴结构的两种工作状态（90°和0°开合位置）分别进行强度分析和疲劳寿命分析。仿真结果表明转轴上部支架及芯轴局部应力集中，40,000次循环加载会导致疲劳断裂。通过有限元分析软件对转轴薄弱环节的结构和尺寸进行改进优化，优化结构后的转轴强度明显改善，并且寿命达到最大设计使用寿命要求。通过运用有限元方法不仅能快速分析转轴强度，而且对于提高转轴强度、使用寿命、缩短转轴设计周期具有一定的参考意义。
关键词：笔记本电脑转轴；支架；强度；疲劳寿命；Workbench
中图分类号：TP368 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2018）10-0127-03
笔记本电脑转轴是连接笔记本电脑显示模组和主机模组的重要功能性结构件。现今随着笔记本电的发展，360°翻转的轻薄笔记本电脑倍受人们青睐。作为实现笔记本电脑360°翻转功能的转轴有了更严苛的设计要求。体积更小、重量更轻、性能更优、种类多样化、设计生产快速化是转轴行业发展遇到的新挑战。目前转轴从设计到生产需要约半年的漫长周期，在这个过程中通过对初始设计产品在笔记本电脑摇摆测试仪等仪器上进行各种测试，来确定产品功能和寿命是否满足要求。整个周期时间久、效率低。
一、转轴结构强度分析
转轴是一个频繁开合的部件，在实际测试及使用过程中转轴结构最容易发生失效形式是疲劳断裂，利用SolidWorks和Workbench协同仿真分析功能对转轴结构进行应力分布状况及疲劳寿命分析计算。在有限元方法的帮助下可以在设计过程中快速发现设计中存在的缺陷，优化设计，缩短转轴的设计周期提高效率、为设计提供重要的优化参考依据。
1．前处理
由于连接笔记本电脑显示模组和主机模组的左右两个转轴为对称结构，且受力一致，因此本文只对其中一边结构进行研究分析。
360°旋转转轴各零部件之间的运动复杂，考虑转轴的受力情况和有限元计算的要求，对模型进行简化，如图1（90°工作状态）、图2（0°工作状态）所示。
图1 转轴模型简化图（90°）
收稿日期：2018-05-24
作者简介：李森林（1993-），男，河南人，上海理工大学，在读硕士研究生，主要研究方向为计算机辅助设计、CAE。
图3 载荷约束施加示图
A—对转轴下部支架螺钉孔位置施加固定约束Fixed
Support，限制转轴下部支架的六个自由度。
B—转轴扭矩大小是根据笔记本显示器重量及重心位置所确定，本转轴设计扭矩为0.5N·m。对转轴上部支架外圆
图2 转轴模型简化图（0°）
本结构中上部支架和下部支架及两轴连接支架材料为S50C，芯轴材料为40cr，摩擦垫片采用粉末冶金材料SKD11，SKD11具有良好的韧性与抗高温疲劳性能。其他部件为厂内的标准件。将材料属性参数添加到各零件。
有限元计算中只有网格的节点和单元参与计算，网格的结构和疏密程度直接影响到计算结果的精度。合理的调整收敛控制选项，并且达到满足要求的计算结果。计算还需要考虑网格无关性的问题，本次计算采用六面体主导网格划分，即使计算中网格退化为金字塔单元或四面体单元，精度仍然能够得到保证。
2．载荷及边界条件