利用Pro/E Mechanica有限元分析優(yōu)化展示柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

郭樹明 任兆麟 張慧娟 呂紅艷

（河南新飛電器有限公司 河南新鄉(xiāng) 453002）

1 引言

Mechanica作為Pro/E的主要分析模塊之一，其分析能力比起相對(duì)專業(yè)的分析軟件無法匹敵，但Pro/E作為今天使用率最高的三維CAD軟件，其順手就能完成的趨勢(shì)評(píng)估分析，比起準(zhǔn)確率達(dá)到99%的分析軟件來說，盡管準(zhǔn)確率達(dá)不到較為精準(zhǔn)的目標(biāo)，確更貼近絕大多數(shù)的使用者。

mechanica模塊是集運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)于一體的大型分析模塊，能夠進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、疲勞、沖擊等多種分析。而在使用界面及操作風(fēng)格上與其他常用模塊十分接近，因此對(duì)于Pro/E使用者來說十分容易上手，另外Mechanica的集成工作模式能夠直接調(diào)用建模參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，這是其他分析軟件無法做到的[1]。

冷柜等家電類產(chǎn)品在在運(yùn)輸和裝卸過程中都可能承受沖擊和碰撞，如果產(chǎn)品和包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，產(chǎn)品就會(huì)產(chǎn)生出現(xiàn)缺陷破損。所以在新產(chǎn)品開發(fā)過程中需要考慮產(chǎn)品在發(fā)生跌落沖擊后會(huì)發(fā)生什么樣的后果，是否滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。這可以通過對(duì)樣機(jī)進(jìn)行跌落試驗(yàn)來獲得相關(guān)的數(shù)據(jù)。家電產(chǎn)品出廠前都需要通過運(yùn)輸、振動(dòng)、跌落物理試驗(yàn)。但是實(shí)物試驗(yàn)的成本太高，延長(zhǎng)產(chǎn)品生產(chǎn)周期，適應(yīng)不了當(dāng)今科技發(fā)展的步伐，更失去占領(lǐng)市場(chǎng)的先機(jī)[2]。

而跌落仿真很好地解決了此類同題，它利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，針對(duì)產(chǎn)品的跌落過程進(jìn)行合理的有限元仿真分析，可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段預(yù)先得到工程師最關(guān)注的參數(shù)，如結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力變形等，及時(shí)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，使產(chǎn)品的抗跌落、抗沖擊能力得到明顯提高。本文將有限元仿真分析手段引入到冷柜產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。運(yùn)用有限元分析商業(yè)軟件Pro/E Mechanica，對(duì)某型號(hào)展示柜的整機(jī)跌落過程進(jìn)行了仿真分析，預(yù)測(cè)展示柜在特定的試驗(yàn)條件下的受損情況；根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)受損部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到一個(gè)比較滿意的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。物理試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真設(shè)計(jì)方法的可行性和正確性。

2 Pro/E mechanica有限元分析在展示柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

新產(chǎn)品批量生產(chǎn)前必須經(jīng)過嚴(yán)格的可靠性試驗(yàn)。展示柜從包裝合格入庫(kù)要經(jīng)過長(zhǎng)距離運(yùn)輸、多次的裝卸，有的產(chǎn)品出口到海外，最后到用戶手中要經(jīng)過很多流程。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，避免運(yùn)輸、裝卸過程中產(chǎn)品受到破壞，本公司規(guī)定，冷柜批量生產(chǎn)前要經(jīng)過運(yùn)輸試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、跌落試驗(yàn)的驗(yàn)證。運(yùn)輸路程單程不少于1000Km，路況選擇三、四級(jí)公路；振動(dòng)試驗(yàn)、跌落試驗(yàn)分別按照GB/T 1019家用和類似用途電器包裝通則相關(guān)要求進(jìn)行。

圖1為某型號(hào)展示柜設(shè)計(jì)初期樣機(jī)經(jīng)過運(yùn)輸試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)和跌落試驗(yàn)后箱體底部變形情況。經(jīng)過測(cè)量底部變形的豎直方向最大值為35mm。圖中可以看出作為緩沖材料的下包裝托沒有明顯變形和損壞。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果看出引起展示柜下部變形的主要原因是兩側(cè)的框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差，不符合設(shè)計(jì)要求，因此需要對(duì)框架結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

圖2是展示柜下部加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)的Pro/E模型示意圖，可以看出：展示柜重量主要由兩側(cè)的矩形框架承擔(dān)，改進(jìn)矩形框架的強(qiáng)度首先就是要求對(duì)單側(cè)的框架進(jìn)行受力分析。

圖3為框架的Pro/E模型圖，為加快計(jì)算過程，我們對(duì)框架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，去掉上面一些螺釘固定孔等?？蚣芙孛鏋椤癓”鋼板，尺寸為28×15×2mm。進(jìn)入Pro/E Mechanical軟件，首先對(duì)模型進(jìn)行材料、位移約束、受力設(shè)置。材料設(shè)置為鋼，位移約束是對(duì)框架進(jìn)行固定，設(shè)置框架底部為受力面。

受力最大值的確定，首先需要確定產(chǎn)品脆值。脆值是產(chǎn)品經(jīng)受振動(dòng)和沖擊時(shí)表示其強(qiáng)度的定量指標(biāo)，又稱產(chǎn)品的易損度。是設(shè)計(jì)產(chǎn)品緩沖包裝中的最重要的參數(shù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，一般要通過實(shí)驗(yàn)來測(cè)定產(chǎn)品的脆值，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中我們可以通過查資料、比較同類產(chǎn)品的脆值來確定。通過比較日本、英國(guó)同類產(chǎn)品的脆值，本社集中的產(chǎn)品脆值取[G]=60g[3]。

因此單側(cè)框架收到極限壓力P=m×g×[G]=70×9.8×60×0.5=20580N

已知展示柜重量m＝70kg。

圖4a、圖4b分別為框架兩側(cè)變形位移圖最大極限變形位移，從圖中可以看出最大極限變位移分別是83.5mm、25mm。圖中顯示框架的變形情況與圖1所示情況相同。

圖5a為第一次設(shè)計(jì)改進(jìn)后框架的變形受力圖?？梢钥闯鲈诳蚣苌显黾觾蓚€(gè)支撐后中間位置最大變形量已經(jīng)明顯縮小，分別為5.6mm和1.7mm。

圖5b為第二次設(shè)計(jì)改進(jìn)后框架的受力變形圖。根據(jù)圖5a中框架最大變形的部位，將框架的上下兩個(gè)部件截面由“L”型改成“U”型，尺寸為15×28×10?？梢钥闯鰞蓚?cè)最大變形量已經(jīng)明顯減小，分別是1.66mm和0.3mm。

敏感性分析，現(xiàn)在對(duì)框架壁厚作為參數(shù)，范圍從1mm到2.5mm進(jìn)行敏感度分析，從圖6可以看出最大變形量隨著壁厚的增加而變形量減小。

優(yōu)化分析：

通過對(duì)框架壁厚對(duì)變形量的分析，在滿足強(qiáng)度條件下，盡量減輕模型的重量，降低產(chǎn)品價(jià)格,提高產(chǎn)品的性價(jià)比。我們最終確定框架的的壁厚為1.2mm,截面為“U”型，尺寸為15×28×10。

3 結(jié)束語(yǔ)

改進(jìn)后的展示柜已經(jīng)批量生產(chǎn)了10萬(wàn)多臺(tái)，并銷往全國(guó)各地。根據(jù)各地市場(chǎng)反饋，均未發(fā)現(xiàn)外殼變形的問題。

在冷柜等家電產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段采用仿真技術(shù)對(duì)產(chǎn)品在裝載和運(yùn)輸過程中發(fā)生的跌落沖擊等使用情況進(jìn)行仿真，可以使設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)階段即可預(yù)知設(shè)計(jì)缺陷，并加以改進(jìn)。這樣不僅能夠保證設(shè)計(jì)產(chǎn)品的質(zhì)量，而且大大加速產(chǎn)品開發(fā)過程、減少后期實(shí)驗(yàn)費(fèi)用[4]，提高設(shè)計(jì)一次成功率。

[1] 祝凌云 李斌 PRO/ENGINEER運(yùn)動(dòng)仿真和有限元分析北京 人民郵電出版社 2004

[2] 華麗，錢靜.洗衣機(jī)運(yùn)輸包裝件的跌落仿真分析[J].包裝工程，2008。29(4)：61—62，80.

[3] h t t p://w e n k u.b a i d u.c o m/ view/4bf723a1284ac850ad024235.html 海爾冰箱物流運(yùn)輸與包裝

[4] 余本剛.林翰，孫瑜，等.微波爐跌落仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].振動(dòng)與沖擊，2009，28(2)：187—190.