羅永洪，吳浪武

（南昌大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江西九江 332020）

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計論法域中傳統(tǒng)的手工設(shè)計方案已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展，產(chǎn)品的外形設(shè)計越來越趨于無紙化和參數(shù)化設(shè)計，國外發(fā)達的國家已經(jīng)大量使用CAD/CAM/CAE 計算機輔助設(shè)計軟件對工業(yè)產(chǎn)品進行外形設(shè)計并分析其結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理。本文對手機后蓋的結(jié)構(gòu)預(yù)期效果進行了初步分析，使用UG 軟件中的CAD 功能對其進行參數(shù)化建模設(shè)計，其核心是通過簡單的改變模型中的參數(shù)值建立和分析新的模型，使產(chǎn)品數(shù)據(jù)修改更加快速便捷。為驗證其產(chǎn)品設(shè)計的合理性，運用UG CAE 功能和Ansys Workbench 軟件對產(chǎn)品進行有限元結(jié)構(gòu)分析，在分析過程中首先對模型結(jié)構(gòu)進行簡化，以求產(chǎn)品在正常使用過程中不發(fā)生明顯的塑性變形，以期在滿足實際要求的前提下，最終達到優(yōu)化產(chǎn)品的效果。

1 產(chǎn)品構(gòu)思

將手機外殼左上角設(shè)計成雙圓頭孔，是為了體現(xiàn)攝像頭的對稱美，使其背面中上位置既簡單美觀，用戶手持手機時又不會遮住攝像頭影響拍攝功能。手機充電接口和耳機孔設(shè)計時應(yīng)考慮使用者的習(xí)慣，一般手機音量鍵和關(guān)機鍵設(shè)計在手機的2 個側(cè)面。用戶在使用手機時通常是用右手操作手機，大拇指和中指可以完全掌控電源鍵和音量鍵，這種設(shè)計方案可以快速按到電源鍵和音量鍵，不會產(chǎn)生誤操作，以上設(shè)計符合人體工程學(xué)[1]。

有研究表明人們感受產(chǎn)品的材料主要依靠視覺和觸覺，因此在設(shè)計過程中要需要考慮這些方面的因素。在觸覺方面，本次產(chǎn)品設(shè)計的原材料采用ADS 材料，這種材料給人的第一觸覺可使消費者產(chǎn)生粗、干、亂、臟等不快的心理情緒，影響消費者對產(chǎn)品的觸覺印象。為了解決這一問題，設(shè)計外觀時在材料表面鍍一層黃銅，看上去很細膩、光潔，讓用戶更容易接觸和接受。在材料的視覺質(zhì)感方面，采用兩側(cè)面流線似的曲面輪廓過渡與變化來展現(xiàn)美觀的圓潤性造型，整個產(chǎn)品的造型簡單，風(fēng)格極簡，營造了一種對稱美。

2 產(chǎn)品三維造型設(shè)計

工業(yè)產(chǎn)品的三維造型設(shè)計常用的的軟件有Catia、UG NX 等，其中UG NX 是三維造型設(shè)計主流設(shè)計軟件，有著強大的三維造型設(shè)計和曲面設(shè)計模塊，利用其強大的參數(shù)化功能特點可以快速完成工業(yè)產(chǎn)品三維造型后的模型數(shù)據(jù)設(shè)計更新與修改。為了快速有效進行手機后蓋產(chǎn)品的三維造型設(shè)計，本文利用Siemens NX12.0 進行手機后蓋的三維造型設(shè)計。

主要三維造型設(shè)計[1]步驟如下：①繪制草圖。以XY平面為草圖繪制平面，在草圖中創(chuàng)建長155 mm、寬75 mm 的矩形，在其四周按圓角半徑為8 mm 去修剪，然后以XZ平面為草圖二的繪制平面，繪制半徑為37.5 mm 的圓弧，圓弧兩端點用約束對齊，使其間距為7.7 mm。②掃掠。在工具欄中選擇插入命令，在彈出的窗口中選擇掃掠命令，根據(jù)要求以草圖對象二的圓弧為掃掠截面，以草圖對象一繪制的圓角矩形為引導(dǎo)線掃掠出兩側(cè)面的輪廓。③拉伸。在工具欄中選擇拉伸命令，并在手機殼的側(cè)面進行拉伸處理，然后進行布爾運算。④有界平面。在工具欄中選擇曲面選項，在下拉菜單中選擇有界曲面命令，把手機外殼的片體生成出來。⑤縫合。利用縫合命令，把側(cè)面和底面中的2 個片體縫合起來形成一個整體。⑥加厚。使用加厚命令，使其縫合中的個體向外加厚2 mm 形成實體。⑦倒圓角。雙擊倒圓角命令，把特征邊進行倒圓角處理，倒圓角半徑為0.5 mm。⑧外觀設(shè)計。為手機外殼進行上色處理，最終產(chǎn)品的三維模型圖如圖1 所示。

圖1 手機后蓋

3 有限元結(jié)構(gòu)分析

有限元分析的基本思路是將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行離散化處理，再分解成多個容易分析的單元從而來表達復(fù)雜的產(chǎn)品對象，而分解成的單元之間又通過有限的結(jié)點進行相互連接，然后根據(jù)產(chǎn)品變形協(xié)調(diào)進行最終求解。運用有限元分析方法，對于產(chǎn)品師來說是一種必要的分析手段，它能在短期內(nèi)使產(chǎn)品設(shè)計師提前評估產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性、縮短設(shè)計的周期和成本。常用的有限元分析工具有ABAQUS、ANSYS 等，本文采用UG CAE 功能和Ansys Workbench 軟件對手機后蓋進行合理性結(jié)構(gòu)分析。

3.1 分析步驟

有限元分析[2]步驟主要包括前處理、求解運算、后處理3 部分，其分析的核心是前處理，前處理又包括用戶根據(jù)產(chǎn)品實際情形定義求解模型。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)微小部位可簡化求解模型，具體步驟包括定義求解問題的幾何區(qū)域、定義單元類型、賦予單元的材料屬性、設(shè)置單元的幾何屬性、定義單元的連通性、定義單元的基函數(shù)、限制邊界條件、給予載荷的大小和方向8 個步驟。

3.2 UG CAE 分析[3]

UG CAE 分析步驟如下：①點擊UG 文件命令，在其下拉菜單中選擇所有應(yīng)用模塊，在其子目錄下選擇設(shè)計仿真功能，然后進入有限元分析模塊工作界面，并在其彈出的窗口中把創(chuàng)建理想化模型勾選。②設(shè)置產(chǎn)品的材料，點擊指派材料命令，在其庫材料選項中選擇ABS 材料，然后點擊確定。③點擊網(wǎng)格控制，根據(jù)手機外殼的實際受力情況可知里面受力的大小，兩側(cè)面受到的力幾乎可以忽略不計，在彈出的命令框中根據(jù)要求調(diào)節(jié)單元數(shù)（單元數(shù)越小，計算越準確，越接近實際情況，但是解算時間也相對較長），這里選擇默認的單元數(shù)3 作為分析的最小單元數(shù)。④創(chuàng)建3D 四面體，點擊網(wǎng)格參數(shù)里面的單元大小自動創(chuàng)建（UG 會根據(jù)產(chǎn)品的大小自動選擇合適的單元大?。＂蔹c擊單元質(zhì)量分析（檢查由于過度扭曲而無法得出較佳結(jié)果的單元），在提示欄中會出現(xiàn)0 個失敗單元、0 個警告單元，表明單元處理得比較完美，若不為0，則需要調(diào)整自己的模型。⑥點擊載荷容器，模擬產(chǎn)品在實際運作中可能受到的力的大小，假定力的大小為15 kN，設(shè)計好力的幅值和方向。點擊約束容器，把手機外殼的底面設(shè)置為固定面，模擬實際情況。進行受力解算，雙擊結(jié)果按鈕進行詳細的參數(shù)分析。主要查看應(yīng)力、位移云圖，從該分析可知產(chǎn)品未出現(xiàn)明顯的塑性變形，滿足實際使用要求。

3.3 理論計算和仿真分析

手機外殼的狀態(tài)一般分為用戶不使用手機、用戶使用手機2 種情況，下面分別對以上2 種情形進行分析。

用戶不使用手機時，可能將手機放置在桌子上（手機外殼底面承受手機全部的重量），也可能放置在口袋里（手機殼的下側(cè)面承受手機整體的重量）。經(jīng)過簡單分析可知，后者更容易出現(xiàn)擠壓變形，因此以后者為研究對象，建立力學(xué)模型。

查閱相關(guān)資料可知ABS 的彈性模量E=2.2 GPa，泊松比為0.394，手機外殼下底面為凹型面，向下投影測量可知長L=155 mm，高H=2 mm，寬W=75 mm。該模型受橫向力載荷，橫向尺寸將會發(fā)生變化，且滿足胡克定律。S=L×W=155×75=11 625 mm2，

分析云圖是使用Ansys Workbench 有限元軟件[3]分析的結(jié)果，如圖2 所示。

圖2 分析云圖

分析圖2 可知，手機外殼下的壓縮位置最長為0.000 101 75 mm，而這與理論計算的結(jié)果（0.000 117 3 mm）基本一致（在誤差允許的范圍）。

用戶在使用手機時，手掌托著手機，用手指在屏幕上面不停點擊。可以把手機外殼的受力情形簡化成懸臂梁受力情形[4]。可測量出L=135 mm，B=75 mm，H=2 mm。

彎矩M=F×L=1.5×135=202.5 N·mm。截面慣性量IZ=BH3/12=（75×23）/12=50 mm4。

計算最大應(yīng)力處，σmax=Mymax/IZ=（202.55×1）/50=4.05 MPa（拉應(yīng)力），σmax=Mymax/IZ=[202.55×（-1）]/50=-4.05 MPa（壓應(yīng)力）。

通過查閱相關(guān)資料[4]發(fā)現(xiàn)，手機后蓋使用的材料ABS 的許用應(yīng)力為24.5 MPa，其最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，故經(jīng)檢驗其產(chǎn)品設(shè)計的強度滿足使用要求。

4 結(jié)論

手機后蓋塑料件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)使用壽命要求比較高，使用CAD/CAM/CAE 輔助設(shè)計軟件可快速完成其產(chǎn)品外形參數(shù)化造型設(shè)計，其結(jié)構(gòu)是否合理可以運用Ansys Workbench 和UG CAE 靜力學(xué)功能進行有限元結(jié)構(gòu)分析，快速修改結(jié)構(gòu)不合理之處，提高了手機后蓋三維造型設(shè)計數(shù)據(jù)的正確性和結(jié)構(gòu)的合理性，使設(shè)計出的手機外觀符合人體工程學(xué)，在設(shè)計中體現(xiàn)出輕、薄、使用壽命長等優(yōu)點，達到優(yōu)化產(chǎn)品的目的。