耿魯

摘? 要：該文使用UG和Abaqus，以某產(chǎn)品機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真和優(yōu)化?；诋a(chǎn)品需求，通過(guò)UG實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品模型的快速設(shè)計(jì)。利用Abaqus對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行模態(tài)分析，識(shí)別試驗(yàn)中振動(dòng)頻率的共振點(diǎn)。根據(jù)仿真結(jié)果，修正模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足產(chǎn)品需求。通過(guò)UG和Abaqus的聯(lián)合使用，對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行模型設(shè)計(jì)、仿真模擬、修正調(diào)整，滿足了產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求，提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，為智能化生產(chǎn)制造提供有力支撐。

關(guān)鍵詞：UG和Abaqus;機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);模擬仿真;智能化制造

中圖分類號(hào)：TH122? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 設(shè)計(jì)工作的基本流程

UG是一套集CAD/CAM/CAE于一體的軟件系統(tǒng)。它提供了強(qiáng)大的實(shí)體建模技術(shù)，提供了高效能的曲面建構(gòu)能力，能夠完成最復(fù)雜的造型設(shè)計(jì)。Abaqus被廣泛認(rèn)為是功能最強(qiáng)的有限元軟件之一，可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，特別是能夠駕馭非常龐大復(fù)雜的問(wèn)題和模擬高度非線性問(wèn)題。UG和Abaqus在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到廣泛使用，特別是在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用。UG可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的概念化設(shè)計(jì)，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)間，利用Abaqus可以對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算和分析，從而優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。通過(guò)UG和Abaqus軟件的結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品機(jī)械結(jié)構(gòu)的概念化設(shè)計(jì)和仿真分析的相互融合，快速迭代，優(yōu)化了產(chǎn)品設(shè)計(jì)，縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

2 產(chǎn)品機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

某產(chǎn)品的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮的主要因素包括外形尺寸、安裝要求、結(jié)構(gòu)重量、通風(fēng)散熱、配線布線、強(qiáng)度剛度、外殼防護(hù)、電磁兼容、人機(jī)要求、加工工藝性等。

考慮產(chǎn)品主要組成部件液晶顯示屏尺寸、電源電路板和接口電路板的固定方式等因素確定產(chǎn)品的外形尺寸。顯示屏和線路板是產(chǎn)品中發(fā)熱量較大的部件，合理進(jìn)行通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)，產(chǎn)品顯示屏采取緊貼機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)壁的散熱方式，增大散熱面積，加速散熱。為降低電磁干擾，采取了全封閉的外殼設(shè)計(jì)，保證干擾電磁信號(hào)不容易進(jìn)入產(chǎn)品內(nèi)部。

機(jī)械結(jié)構(gòu)的加工材料選取了反射損耗大的金屬鋁，可以有效地對(duì)低頻電磁干擾進(jìn)行屏蔽。在金屬與金屬連接縫處沒(méi)有噴涂漆塑，降低接觸電阻，保證整體的導(dǎo)電性。在機(jī)構(gòu)架和外殼的連接處，設(shè)計(jì)了開槽，放置導(dǎo)電橡膠棒，保證了整體密封性和導(dǎo)電性。結(jié)合電子元器件大小和電路板的尺寸，將電路板通過(guò)螺釘與產(chǎn)品機(jī)構(gòu)架連接。在接口電路板的位置確定的過(guò)程中要保證接口電路板上的插頭和液晶顯示屏上的插座準(zhǔn)確對(duì)接。顯示器結(jié)構(gòu)中的所有部件之間的連接采取螺釘固緊的方式。在保證不影響產(chǎn)品性能和機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)部件采取了減重措施。在機(jī)構(gòu)架內(nèi)部和外表面設(shè)計(jì)了減重槽，有效減輕了整體重量。設(shè)計(jì)的過(guò)程中充分考慮機(jī)械加工的工藝性，所有零部件的機(jī)械加工較易完成。

基于以上因素，使用UG進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，為更清楚的表達(dá)模型中的各部件，對(duì)產(chǎn)品模型部件進(jìn)行爆炸分解，如圖1所示。

3 基于Abaqus的模態(tài)分析

3.1 模型簡(jiǎn)化

利用Abaqus進(jìn)行模態(tài)分析的過(guò)程中，為提高分析精度和速度，在保證模型基本特征的前提下對(duì)模型一些特征可以做簡(jiǎn)化處理，具體包括去除導(dǎo)光板和橡膠墊、簡(jiǎn)化螺釘連接關(guān)系、忽略電子元器件、等化電路板質(zhì)量、焊縫的連接強(qiáng)度等于母材強(qiáng)度、去除減重槽等。

3.2 定義材料屬性

將所有零件的材料視為同一材質(zhì)，將電路板整體（元器件、PCB板等）視為同一材質(zhì)，等效后的密度見表1。

3.3 模型參數(shù)設(shè)置

定義分析步類型為Frequency，選擇Lanczos求解器，要求階次Value定義為10。輸出變量和歷史變量采用默認(rèn)設(shè)置。對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析的目的主要是獲得模型不同階次下的固有頻率和振型，將產(chǎn)品的前表面設(shè)置為固定面，分別限制該表面的3個(gè)方向上的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，約束6個(gè)自由度。部件與部件之間的約束關(guān)系近似定義為綁定約束。對(duì)產(chǎn)品模型分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最大單元尺寸為4，選取單元類型為四面體單元。

3.4 模型固有頻率提取

對(duì)模型的固有頻率進(jìn)行分析，1階固有頻率為1 492.6 Hz，2階固有頻率為1 623.8 Hz。模型前10階固有頻率的分析結(jié)果見表2。

從模型1～10階固有頻率輸出值可以看出，對(duì)于當(dāng)前產(chǎn)品的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，理論上其1階、2階固有頻率沒(méi)有超出2 000 Hz（試驗(yàn)中振動(dòng)頻率的臨界點(diǎn)），產(chǎn)品整體容易與外界環(huán)境產(chǎn)生共振，對(duì)產(chǎn)品造成破壞。

3.5 模型結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為保證模型前10階固有頻率的數(shù)值超出2 000 Hz，對(duì)模型中最易引起共振的區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。對(duì)模型中散熱器的散熱片高度進(jìn)行了調(diào)整，減少了散熱器的重量和提高了整體結(jié)構(gòu)的平衡性。

3.6 模型改進(jìn)后的固有頻率提取

對(duì)調(diào)整散熱片高度后的模型再次進(jìn)行固有頻率提取，提取1～10階固有頻率輸出值見表3，前兩階固有頻率都已經(jīng)超出了2 000 Hz。1階固有頻率為2 094.2 Hz，比改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)頻率提高了601.6 Hz，2階固有頻率為2 396.8 Hz，比改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)頻率提高了773 Hz。理論上改進(jìn)后的顯示器結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)的過(guò)程中不易與2 000 Hz內(nèi)的振動(dòng)源產(chǎn)生共振，可以防止結(jié)構(gòu)的破壞，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)可以滿足防止共振的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

在考慮多種機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響因素的前提下，使用UG對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速建模，利用Abaqus對(duì)模型進(jìn)行了固有頻率分析。模型前兩階固有頻率偏低，容易與外界環(huán)境產(chǎn)生共振，對(duì)產(chǎn)品造成破壞。通過(guò)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，提高了固有頻率，滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過(guò)程中，UG和Abaqus的聯(lián)合使用，提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，為智能化生產(chǎn)制造提供有力支撐。

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