孫愛芹，王吉岱，李 磊，魯天錫

（1.山東科技大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，山東 青島 266510；2.青島海爾集團(tuán) 青島家電工藝裝備研究所，山東 青島 261000）

0 引言

彩電市場競爭日益激烈，為了能在市場占據(jù)一席之地，各大彩電廠商除了關(guān)注產(chǎn)品質(zhì)量外，技術(shù)升級換代領(lǐng)域也在暗戰(zhàn)，新品上市周期越來越短，這對彩電結(jié)構(gòu)件的研發(fā)周期和質(zhì)量提出了新的要求和挑戰(zhàn)。

本文將有限元法引入產(chǎn)品和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行分析，為設(shè)計(jì)模型的修改提供數(shù)據(jù)依據(jù)。首先創(chuàng)建某型號電視底座部件三維CAD模型，建立FEM有限元模型，包括定義材料特性、物理屬性、劃分網(wǎng)絡(luò)、零件間的聯(lián)結(jié)處理等，再建立SIM仿真模型，定義邊界條件，施加力載荷，最后仿真模型后處理，對CAD模型驗(yàn)證。

1 創(chuàng)建電視機(jī)底座CAD模型

底座部件是承載受力的部件，承載整個(gè)彩電機(jī)身的重量，除底座部件外，此型號彩電的機(jī)身重量為12 kg，底座部件在整機(jī)中的位置如圖1所示。

底座部件由3個(gè)零件組成，用6顆自攻螺釘聯(lián)結(jié)，3個(gè)零件分別為底座面板、轉(zhuǎn)接件和底座立柱，見圖2。

底座面板下方9處支撐面可在仿真分析設(shè)為固定約束，即邊界條件之一，如圖3所示。

底座立柱受力部位為5處螺釘過孔內(nèi)下表面，受力方向如圖4中螺釘上方紅色箭頭所示，3個(gè)零件的裝配間隙為0，按照曲面接觸處理。

2 創(chuàng)建FEM模型

在CAD模型基礎(chǔ)上，創(chuàng)建有限元模型，使用NX NASTRAN求解器，分析類型結(jié)構(gòu)。底座的3個(gè)零件均為受力部件，在選用材料時(shí)考慮采用工程塑料ABS，創(chuàng)建與CAD模型對應(yīng)的3個(gè)PSOLID類型的物理屬性，單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)為3D，集合類型選擇實(shí)體，物理屬性依次選擇剛建立的3個(gè)PSOLID類型，逐一劃分單元網(wǎng)絡(luò)，單元類型選擇10節(jié)點(diǎn)四面體，底座立柱、轉(zhuǎn)接件、底座面板的單元大小分別為4 mm，3.41 mm，4.56 mm。檢查有限元模型，劃分的單元類型應(yīng)滿足寬高比、翹曲、歪斜、拔錐、雅可比比率、雅可比零點(diǎn)以及2D最小最大角度等性能指標(biāo)，劃分失敗的單元網(wǎng)絡(luò)如果不超過總數(shù)的1%可不予考慮，有限元模型如圖5所示[1-2]。

3 建立SIM仿真模型

底座立柱、轉(zhuǎn)接件、底座面板3個(gè)零件的聯(lián)結(jié)做曲面接觸處理，圖6a所示為底座立柱與轉(zhuǎn)接件、轉(zhuǎn)接件與底座面板曲面粘結(jié)效果[3]；底座立柱與轉(zhuǎn)接件結(jié)合部位如圖6b和圖6c所示；轉(zhuǎn)接件與底座面板結(jié)合部位如圖6d和圖6e所示。

底座面板固定約束，圖7顯示了固定約束效果。底座面板固定約束部位見圖3。

底座立柱螺釘過孔內(nèi)下半表面施加2.4 kg的力載荷，如圖8a所示，為了能準(zhǔn)確施加力載荷到螺釘過孔內(nèi)下半表面，在有限元建模前的理想化模型中，必須使用分割面把圖中5處螺釘過孔分割兩半[4]，如圖8b和圖8c所示。

4 仿真結(jié)果處理與分析

底座部件在Y軸方向上的節(jié)點(diǎn)位移如圖9所示，最大位移為0.0454 mm，最大位移點(diǎn)發(fā)生在底座立柱零件上。行業(yè)規(guī)范為0.5 mm，0.0454 mm＜0.5 mm符合行業(yè)要求。

底座部件的單元節(jié)點(diǎn)馮氏應(yīng)力如圖10所示，最大應(yīng)力發(fā)生在底座面板的一處腳墊支撐位置，應(yīng)力數(shù)值為1.5135 MPa，ABS材料的屈服強(qiáng)度為40 MPa，1.5135 MPa＜40 MPa×60%，根據(jù)屈服函數(shù)von Mises準(zhǔn)則，CAD設(shè)計(jì)模型符合強(qiáng)度要求。

此外，底座部件的某些地方存在應(yīng)力集中，如圖11所示，應(yīng)力集中處或增加倒角、過度圓弧、增大料厚尺寸。底座立柱應(yīng)力集中分布于螺釘過孔下方的加強(qiáng)筋處，大端料厚可以設(shè)計(jì)為1.2 mm，小端料厚設(shè)為1 mm。轉(zhuǎn)接件應(yīng)力集中部位在右側(cè)尖角處，增加此處圓角，設(shè)為R0.2。底座面板應(yīng)力集中分布在4個(gè)腳墊支持的圓環(huán)上，增加圓環(huán)料厚，小端料厚調(diào)整1 mm，大端料厚增加至1.2 mm，同時(shí)圓環(huán)與根部倒圓角R0.2。

5 小結(jié)

對彩電底座面板進(jìn)行CAE仿真分析，可以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的CAD模型的可行性，為CAD模型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供數(shù)字依據(jù)，修改后的圖紙模型已經(jīng)開模，試模產(chǎn)品已經(jīng)通過裝機(jī)驗(yàn)證和型式驗(yàn)證。

當(dāng)今彩電技術(shù)更新?lián)Q代迅速，市場競爭已經(jīng)白熱化，市場競爭歸根到底還是技術(shù)實(shí)力的較量，如何能在質(zhì)量、交期、成本上拔得頭籌是各企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，將有限元法引入產(chǎn)品和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是CAE的重要組成部分?；贑AD和CAE的現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法專注于每一個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的精確分析及其優(yōu)化，這極大減少了設(shè)計(jì)過程中的缺陷和不足，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，大幅縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，為企業(yè)參與競爭提供支持。

[1]沈春根，王貴成，王樹林.UGNX7.5有限元分析入門與實(shí)例精講[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]耿魯怡，徐六飛.UG結(jié)構(gòu)分析培訓(xùn)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[3]張峰.NX Nastran基礎(chǔ)分析指南[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[4]馬愛軍，周傳月，王旭.Patran和Nastran有限元分析專業(yè)教程[M].北京：高等教育出版社，2005.