沈小強(qiáng)，鐘江靜

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州 215104）

基于Pro/E的支撐板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析

沈小強(qiáng)，鐘江靜

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州 215104）

支撐板是電視機(jī)底座中的關(guān)鍵支撐件，承受著整個(gè)電視機(jī)的重量，為保證平穩(wěn)安裝，其應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，且滿足一定的平面度和垂直度要求。針對(duì)現(xiàn)有支撐板在生產(chǎn)裝配過(guò)程中所出現(xiàn)的問(wèn)題，在不改變?cè)褂眯阅艿幕A(chǔ)上，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)并利用Pro/E軟件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了其靜態(tài)應(yīng)力、變形位移和重量。同時(shí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)與改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)有利于模具的設(shè)計(jì)及其生產(chǎn)質(zhì)量的保證。

支撐板;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;Pro/E;分析

【本文獻(xiàn)信息】沈小強(qiáng)，鐘江靜.基于Pro/E的支撐板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析［J］.電視技術(shù)，2013，37（13）.

媒體曾報(bào)道過(guò)一條關(guān)于某品牌液晶電視機(jī)底座支撐件的質(zhì)量問(wèn)題的新聞，指出支撐件由于質(zhì)量問(wèn)題而存在斷裂風(fēng)險(xiǎn)，容易導(dǎo)致電視機(jī)傾倒而對(duì)消費(fèi)者造成人身傷害。支撐板是承力零件，為了保證其能夠平穩(wěn)的支撐電視機(jī)而不發(fā)生變形和斷裂，應(yīng)滿足強(qiáng)度和剛度要求［1］。在現(xiàn)有支撐板結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，針對(duì)沖壓生產(chǎn)過(guò)程中所出現(xiàn)的平面度、角度質(zhì)量問(wèn)題和裝配過(guò)程中所出現(xiàn)的裝配困難問(wèn)題，提出了一種改進(jìn)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，并利用Pro/E軟件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果顯示在滿足使用性能的基礎(chǔ)上，重量減輕，結(jié)構(gòu)更有利于后續(xù)模具的設(shè)計(jì)及其質(zhì)量的保證。

1 支撐板裝配結(jié)構(gòu)分析

支撐板是電視機(jī)底座中的關(guān)鍵支撐件，為了保證安裝后電視機(jī)平穩(wěn)，要求支撐板各平面的平面度小于0.1 mm，側(cè)面與底面的角度公差為 ±0.15°［2］。在裝配結(jié)構(gòu)中，支撐板的底面與底座中的旋轉(zhuǎn)柱相配合連接;掛鉤用來(lái)懸掛電視機(jī)，承受外力;側(cè)面與電視接觸面貼合。支撐板在底座中的裝配結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 支撐板結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

由圖1可以得到電視機(jī)對(duì)上下掛鉤的受力分析可作為懸臂梁來(lái)對(duì)待，而梁以彎曲變形為主，主要考慮其撓度和轉(zhuǎn)角，根據(jù)材料力學(xué)計(jì)算可得到撓度f(wàn)和轉(zhuǎn)角θ計(jì)算公式［3］

圖1 底座裝配結(jié)構(gòu)

式中:P為集中力;a為集中力到固定端長(zhǎng)度;l為梁伸出長(zhǎng)度;E為彈性模量;I為慣性距。

2.1 模型的建立

進(jìn)行鈑金件設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)凸包、圓凸臺(tái)等不影響結(jié)構(gòu)分析的部位進(jìn)行了簡(jiǎn)化，所完成支撐板模型如圖3所示。

2.2 基于Pro/E MECHANICA的結(jié)構(gòu)分析

由于掛鉤所承受載荷為局部區(qū)域，所以先畫(huà)出受力載荷區(qū)域，再進(jìn)入MECHANICA模塊創(chuàng)建曲面區(qū)域。

2.2.1 創(chuàng)建材料、約束和載荷

在Pro/E的MECHANICA應(yīng)用程序中對(duì)模型的材料進(jìn)行定義設(shè)置，材料為沖壓性能好的3 mm酸洗板（SPHC），經(jīng)查閱手冊(cè)得到與之相當(dāng)材料的有關(guān)數(shù)據(jù)，設(shè)置其基本特性值、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等參數(shù)并為模型指定材料［4］。根據(jù)支撐板的裝配關(guān)系對(duì)其進(jìn)行約束，定義位移約束選取底面進(jìn)行固定。為了滿足設(shè)計(jì)的要求與安全性，以其所支撐電視機(jī)的最大重量和搬動(dòng)（或轉(zhuǎn)動(dòng)）過(guò)程中所受外力作為單個(gè)掛鉤的載荷分析條件，對(duì)4個(gè)掛鉤創(chuàng)建力載荷設(shè)置為245 N，結(jié)果如圖4所示。

圖4 載荷約束結(jié)構(gòu)

2.2.2 靜態(tài)分析

對(duì)模型進(jìn)行靜態(tài)分析定義后運(yùn)行結(jié)果，得到應(yīng)力云紋圖如圖5a所示，顯示在下掛鉤折彎處為最大接觸壓強(qiáng)63.52 MPa;得到變形位移云紋圖如圖5b所示，顯示下掛鉤為最大位移0.012 3 mm。

圖5 靜態(tài)分析

由圖5靜態(tài)分析可以得出圖3所示支撐板的強(qiáng)度和剛度滿足使用要求，但該結(jié)構(gòu)在實(shí)際生產(chǎn)裝配過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)平面度、角度質(zhì)量問(wèn)題或出現(xiàn)零件合格但a、b面貼合間隙不均勻的情況，影響了底座裝配的難易度和4個(gè)掛鉤的位移量。

2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)上述問(wèn)題，在不改變?cè)褂眯阅艿幕A(chǔ)上，以減輕重量和簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)為目標(biāo)對(duì)支撐板進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 支撐板改進(jìn)模型

2.3.1 靜力分析

對(duì)改進(jìn)模型的材料、約束、載荷等參數(shù)進(jìn)行相同設(shè)置后運(yùn)行靜態(tài)分析定義，結(jié)果如圖7所示。應(yīng)力云紋圖顯示在下掛鉤折彎處為最大接觸壓強(qiáng)92.05 MPa;變形位移云紋圖顯示下掛鉤為最大位移0.021 5 mm。

圖7 靜態(tài)分析

通過(guò)與圖5的對(duì)比分析可以得出其所受應(yīng)力和變形位移量都有所增大，而側(cè)面的變形位移量反而有所減小。

2.3.2 靈敏度分析

在Pro/E MECHANICA中的靈敏度分析可分為全局靈敏度和局部靈敏度分析兩大類。一般先進(jìn)行局部靈敏度分析，確定主要參數(shù)對(duì)模型性能的影響程度，再對(duì)那些對(duì)模型性能影響較大的參數(shù)進(jìn)行全局靈敏度分析［5］。

對(duì)支撐板進(jìn)行局部靈敏度分析，得到對(duì)掛鉤影響最大的參數(shù)主要有截面尺寸，伸出長(zhǎng)度和集中力到固定端長(zhǎng)度，與式（2）分析基本一致。但由于材料厚度一定，所以主要觀察其高度尺寸h、伸出長(zhǎng)度l和集中力到固定端長(zhǎng)度a三個(gè)參數(shù)分別對(duì)等效應(yīng)力和變形位移的影響，運(yùn)行結(jié)果如圖8所示。

圖8 局部靈敏度測(cè)量圖（截圖）

2.3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

所謂優(yōu)化設(shè)計(jì)就是在指定研究目標(biāo)、約束條件和設(shè)計(jì)參數(shù)等之后在參數(shù)的指定范圍內(nèi)求出可滿足研究目標(biāo)和約束條件的最佳解決方案［5］。以重量最輕為優(yōu)化目標(biāo)［6］，以原模型最大等效應(yīng)力63.52 MPa和最大位移0.012 3 mm為設(shè)計(jì)極限對(duì)參數(shù)h、l和a進(jìn)行優(yōu)化分析，結(jié)果如圖9a所示，對(duì)原模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行質(zhì)量屬性分析如圖9b所示。對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)分析，運(yùn)行結(jié)果后得到應(yīng)力云紋圖如圖10a所示，顯示在下掛鉤折彎處為最大接觸壓強(qiáng)61.24 MPa;得到變形位移云紋圖如圖10b所示，顯示下掛鉤為最大位移0.012 28 mm。由于行業(yè)規(guī)范為0.5 mm，0.012 28 mm ＜0.5 mm 符合行業(yè)要求［7］。

圖9 對(duì)比圖

圖10 靜態(tài)分析

通過(guò)圖5和圖10的對(duì)比分析得出在不改變?cè)褂眯阅艿幕A(chǔ)上，支撐板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，靜態(tài)應(yīng)力和變形位移有所減小，滿足使用要求。

3 支撐板應(yīng)用分析

優(yōu)化設(shè)計(jì)后的支撐板結(jié)構(gòu)比原模型簡(jiǎn)單，通過(guò)沖壓工藝分析，且對(duì)比原模型結(jié)構(gòu)的沖壓工藝設(shè)計(jì)［8］，其在沖壓加工方面的應(yīng)用可以比原工藝設(shè)計(jì)減少一道彎曲工序，降低了參考文獻(xiàn)［8］所述級(jí)進(jìn)模結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，降低了模具的制造成本。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的支撐板結(jié)構(gòu)在質(zhì)量方面易于保證側(cè)面與底面的角度公差要求，可避免出現(xiàn)零件合格但a、b面貼合間隙不均勻的情況，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，更有利于裝配工作的順利開(kāi)展。

4 結(jié)論

利用Pro/E MECHANICA模塊，對(duì)電視機(jī)底座支撐板進(jìn)行了靜態(tài)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了改進(jìn)后的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。其在滿足使用要求和性能的基礎(chǔ)上，減輕了重量，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，減少了后續(xù)折彎工序，有利于后續(xù)模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)改進(jìn)及其產(chǎn)品質(zhì)量的保證，對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用有重要的指導(dǎo)意義。

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［1］李雄贊.一種支承底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案［J］.機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2009，22（3）:65－67.

［2］鐘江靜，周夢(mèng)榮，宗越，等.支撐板彎曲模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)［J］.鍛壓技術(shù)，2011，36（3）:110－112.

［3］劉鴻文.材料力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2000.

［4］溫秉權(quán).金屬材料手冊(cè)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

［5］二代龍震工作室.Pro/MECHANICA Widlfire5.0結(jié)構(gòu)/熱力分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2011.

［6］范海雄，韓華亭，王崴.一種支撐架的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010（5）:9－11.

［7］孫愛(ài)芹，王吉岱，李磊，等.基于UG的LED彩電底座部件CAE分析［J］.電視技術(shù)，2011，35（16）:43－45.

［8］鐘江靜，宗越，梁士紅.支撐板沖壓工藝設(shè)計(jì)［J］.模具技術(shù)，2011，37（5）:33－36.

Structural Optimization Design and Analysis of Support Plate Based on Pro/E

SHEN Xiaoqiang，ZHONG Jiangjing

（Suzhou Institute of Industrial Technology，Jiangsu Suzhou 215104，China）

The support plate is critical to the base of TV，which bears the weight of the TV.To ensure a smooth installation，it should be of sufficient strength and stiffness，and meets the requirement of flatness and verticality.Regarding the problems occurring in current manufacture and assembles，the structure of the support plate is improved and its design with Pro/E based on its original performance is optimized.Its stress，displacement and weight are reduced.Further more，the new structure benefits the mould design and the quality of production.

support plate;structural optimization;Pro/E;analysis

TN949.1

A

沈小強(qiáng)（1980— ），講師，碩士生，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)、CAD/CAM/CAE等方面的教學(xué)與研究;

鐘江靜（1964— ），女，講師，本科，主要從事模具設(shè)計(jì)與制造、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的教學(xué)與研究。

責(zé)任編輯:魏雨博

2013－01－06