可折疊便攜式牙刷的有限元分析及生產(chǎn)管理研究

曹偉光 夏軼群 魯國慶（上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，上海 201418）

可折疊便攜式牙刷的有限元分析及生產(chǎn)管理研究

曹偉光 夏軼群 魯國慶（上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，上海 201418）

本文結(jié)合設(shè)計(jì)一款可折疊便攜式牙刷并對其進(jìn)行有限元分析，得出結(jié)果最大應(yīng)力及最大位移均符合設(shè)計(jì)要求，同時(shí)研究牙刷在企業(yè)生產(chǎn)中的管理方法。最后是對便攜式牙刷的研究與生產(chǎn)管理未來的展望。

折疊；便攜式；牙刷；有限元；管理

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中的牙刷分析得出，沒有防污功能，而且設(shè)計(jì)不符合一定的人機(jī)工程，本文通過人機(jī)工程的理念，主要對牙刷進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì)研究，并通過ANSYS WORKBENCH有限元分析軟件的分析可對生產(chǎn)前進(jìn)行相應(yīng)分析評估，為后續(xù)生產(chǎn)工作減少損失，降低成本的效果。

1 可折疊便攜式牙刷的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)管理研究

通過CATIA V5三維建模軟件對可折疊便攜式牙刷模型進(jìn)行簡單設(shè)計(jì)，并進(jìn)行調(diào)整以及對其生產(chǎn)管理的分析研究。

1.1 模型建立

利用三維建模軟件對牙刷進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過相應(yīng)的輔助調(diào)整對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，從而設(shè)計(jì)一款具有折疊功能的更具便攜性的牙刷，為用戶帶來便利性[1]?？烧郫B便攜式牙刷分由牙刷部分和刷頭防護(hù)罩部分組成，后續(xù)為了得到分析結(jié)果只針對牙刷部分的柄部進(jìn)行有限元分析。

1.2 企業(yè)生產(chǎn)管理研究

通過已經(jīng)設(shè)計(jì)好的牙刷模型，生產(chǎn)中應(yīng)針對牙刷的材料選取進(jìn)一步分析，假設(shè)采用材質(zhì)較硬的塑料，同時(shí)防護(hù)罩的材料應(yīng)是防水功能，便于清洗。

可折疊便攜式牙刷的生產(chǎn)管理中應(yīng)注意以下內(nèi)容：

企業(yè)應(yīng)該建立內(nèi)部安全小組，堅(jiān)持記錄每天的安全狀況，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對企業(yè)安全情況進(jìn)行評估，反饋給高層后，提出整改意見，然后再繼續(xù)進(jìn)行。此方法是一旦規(guī)定下達(dá)，必須堅(jiān)持。企業(yè)應(yīng)建立有針對性的規(guī)章制度，加以規(guī)范員工的不良習(xí)慣。制度建立，立即落實(shí)執(zhí)行。

2 可折疊便攜式牙刷有限元分析

由于WORKBENCH是有限元分析常用分析工具，本文利用WORKBENCH 14.5版本的有限元分析軟件，此CAE分析軟件是由ANSYS公司開發(fā)。WORKBENCH里具有建模功能Design Modeler、分析功能Design Simulation等，還提供了不同環(huán)境之間相互切換操作的方法，同時(shí)也能夠很便利的切換為ANSYS的經(jīng)典版進(jìn)行操作[2]，故使用此方法進(jìn)行相應(yīng)的有限元分析研究。

分析軟件不僅能夠與CATIA、UG等三維軟件無縫連接，同時(shí)還可以通過轉(zhuǎn)換格式，如IGS、IGES等，將其與NX等CAE軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互換功能，是一款相當(dāng)便攜且多功能的有限元分析軟件。本文設(shè)計(jì)的輔助設(shè)備均是在CATIA的三維軟件中建立三維模型，并導(dǎo)入到有限元軟件中進(jìn)行有限元分析[3]。

2.1 有限元模型的建立及定義材料屬性

首先選擇結(jié)構(gòu)靜力學(xué)仿真分析，然后通過CATIA三維軟件將三維模型轉(zhuǎn)換格式，轉(zhuǎn)成IGS格式后導(dǎo)入至有限元軟件中。為了確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性以及節(jié)省計(jì)算時(shí)間提高工作效率，故對可折疊便攜式牙刷進(jìn)行相應(yīng)簡化處理，省去可刷頭部位等。

結(jié)構(gòu)靜力學(xué)仿真分析包括以下幾個(gè)步驟：

(1)3D模型的建立并導(dǎo)入分析軟件；

(2)定義材料的屬性；

(3)劃分網(wǎng)格；

(4)定義邊界的條件及載荷的施加

(5)后處理及結(jié)果的分析

可折疊便攜式牙刷柄部選用Q235B，彈性模量210GPa,泊松比0.27，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)鋼的硬度較大，在工業(yè)設(shè)備中作為優(yōu)先選擇對象。同時(shí)利用有限元軟件中的“boned”接觸的單元類型，并給予丙部一端向上的力F=1000N，從而來模擬仿真有限元模型的所有接觸面。

為了簡化模型，主要分析牙刷柄[4-5]，網(wǎng)格劃分的方法采用自動網(wǎng)格劃分，單元數(shù)為2276，節(jié)點(diǎn)數(shù)為4812。

2.2 有限元分析及結(jié)果

從有限元分析可得出，中間的連接點(diǎn)最大應(yīng)力為1325MPa，符合設(shè)計(jì)要求，底端的最大形變?yōu)?.107mm，可通過加厚尾部的厚度達(dá)到減少位移的效果。

3 結(jié)語

本文通過有限元分析對已授權(quán)的專利，可折疊便攜式牙刷進(jìn)行有限元分析，同時(shí)對可折疊便攜式牙刷在企業(yè)生產(chǎn)管理中的研究，分析結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。主要得出以下結(jié)論：

從有限元分析可看出，中間的連接點(diǎn)最大應(yīng)力為1325MPa，符合材料的設(shè)計(jì)要求，底端的最大位移為0.107mm，可通過加厚尾部的厚度達(dá)到減少位移，得出進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果。

本課題雖然對已授權(quán)的專利進(jìn)行相應(yīng)的有限元分析研究，但是由于本人的學(xué)術(shù)能力和時(shí)間的限制，本文還有一些不足，提出以下建議：

本文僅針對已設(shè)計(jì)的可折疊便攜式牙刷的柄部進(jìn)行有限元分析，而未對整個(gè)部分進(jìn)行分析，結(jié)果與現(xiàn)實(shí)會有一定差距。在以后的研究中，應(yīng)對其他部件進(jìn)行詳細(xì)分析并給出較全的分析數(shù)據(jù)，提高整體環(huán)節(jié)研究分析的完整性。

[1]李志鵬，夏軼群，曹偉光.可折疊便攜式牙刷[P].中國專利：CN105029888B，2016-09-14.

[2]李德雨.基于ANSYS Workbench的多層波紋管自振頻率計(jì)算[J].礦山機(jī)械，2005，(6):83-84.

[3]黃志新,劉成柱.ANSYS Workbench 14.5超級學(xué)習(xí)手冊[M].北京:人民郵電出版社，2013.

[4]韓江,孟超,姚銀鴿,等.大型數(shù)控落地鏜銑床主軸箱的有限元分析[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2009,(10):82-84.

[5]叢明,房波,周資亮.車-車?yán)瓟?shù)控機(jī)床拖板有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國機(jī)械工程,2008,(2):208-213.

曹偉光，上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，安徽宿州，碩士研究生，化學(xué)工程專業(yè)，無損檢測工程師。