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評估分析，比起準確率達到99%的分析軟件來說，盡管準確率達不到較為精準的目標，確更貼近絕大多數(shù)的使用者。

mechanica模塊是集運動、結(jié)構(gòu)、熱力學于一體的大型分析模塊，能夠進行靜態(tài)、動態(tài)、疲勞、沖擊等多種分析。而在使用界面及操作風格上與其他常用模塊十分接近，因此對于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)計不合理，產(chǎn)品就會產(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)生跌落沖擊后會發(fā)生什么樣的后果，是否滿足強度設(shè)計要求。這可以通過對樣機進行跌落試驗來獲得相關(guān)的數(shù)據(jù)。家電產(chǎn)品出廠前都需要通過運輸、振動、跌落物理試驗。但是實物試驗的成本太高，延長產(chǎn)品生產(chǎn)周期，適應不了當今科技發(fā)展的步伐，更失去占領(lǐng)市場的先機[2]。

而跌落仿真很好地解決了此類同題，它利用計算機仿真技術(shù)，針對產(chǎn)品的跌落過程進行合理的有限元仿真分析，可以在產(chǎn)品設(shè)計階段預先得到工程師最關(guān)注的參數(shù)，如結(jié)構(gòu)整體應力變形等，及時改進設(shè)計方案，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)計中。運用有限元分析商業(yè)軟件Pro/E Mechanica，對某型號展示柜的整機跌落過程進行了仿真分析，預測展示柜在特定的試驗條件下的受損情況；根據(jù)仿真結(jié)果對受損部件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到一個比較滿意的結(jié)構(gòu)改進設(shè)計方案。物理試驗驗證了仿真設(shè)計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)計中的運用

新產(chǎn)品批量生產(chǎn)前必須經(jīng)過嚴格的可靠性試驗。展示柜從包裝合格入庫要經(jīng)過長距離運輸、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)過運輸試驗、振動試驗、跌落試驗的驗證。運輸路程單程不少于1000Km，路況選擇三、四級公路；振動試驗、跌落試驗分別按照GB/T 1019家用和類似用途電器包裝通則相關(guān)要求進行。

圖1為某型號展示柜設(shè)計初期樣機經(jīng)過運輸試驗、振動試驗和跌落試驗后箱體底部變形情況。經(jīng)過測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)強度差，不符合設(shè)計要求，因此需要對框架結(jié)構(gòu)改進。

圖2是展示柜下部加強板結(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，改進矩形框架的強度首先就是要求對單側(cè)的框架進行受力分析。

圖3為框架的Pro/E模型圖，為加快計算過程，我們對框架的結(jié)構(gòu)進行了簡化，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。進入Pro/E Mechanical軟件，首先對模型進行材料、位移約束、受力設(shè)置。材料設(shè)置為鋼，位移約束是對框架進行固定，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)受振動和沖擊時表示其強度的定量指標，又稱產(chǎn)品的易損度。是設(shè)計產(chǎn)品緩沖包裝中的最重要的參數(shù)。在實際生產(chǎn)中，一般要通過實驗來測定產(chǎn)品的脆值，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計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)計改進后框架的變形受力圖。可以看出在框架上增加兩個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)計改進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)在對框架壁厚作為參數(shù)，范圍從1mm到2.5mm進行敏感度分析，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：

通過對框架壁厚對變形量的分析，在滿足強度條件下，盡量減輕模型的重量，降低產(chǎn)品價格,提高產(chǎn)品的性價比。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

改進后的展示柜已經(jīng)批量生產(chǎn)了10萬多臺，并銷往全國各地。根據(jù)各地市場反饋，均未發(fā)現(xiàn)外殼變形的問題。

在冷柜等家電產(chǎn)品設(shè)計階段采用仿真技術(shù)對產(chǎn)品在裝載和運輸過程中發(fā)生的跌落沖擊等使用情況進行仿真，可以使設(shè)計者在設(shè)計階段即可預知設(shè)計缺陷，并加以改進。這樣不僅能夠保證設(shè)計產(chǎn)品的質(zhì)量，而且大大加速產(chǎn)品開發(fā)過程、減少后期實驗費用[4]，提高設(shè)計一次成功率。

[1] 祝凌云 李斌 PRO/ENGINEER運動仿真和有限元分析北京 人民郵電出版社 2004

[2] 華麗，錢靜.洗衣機運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[J].振動與沖擊，2009，28(2)：187—190.