利用Pro/E Mechanica有限元分析優化展示柜結構設計

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 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，確更貼近絕大多數的使用者。

mechanica模塊是集運動、結構、熱力學于一體的大型分析模塊，能夠進行靜態、動態、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用建模參數進行優化分析，這是其他分析軟件無法做到的[1]。

冷柜等家電類產品在在運輸和裝卸過程中都可能承受沖擊和碰撞，如果產品和包裝結構設計不合理，產品就會產生出現缺陷破損。所以在新產品開發過程中需要考慮產品在發生跌落沖擊后會發生什么樣的后果，是否滿足強度設計要求。這可以通過對樣機進行跌落試驗來獲得相關的數據。家電產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，延長產品生產周期，適應不了當今科技發展的步伐，更失去占領市場的先機[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，針對產品的跌落過程進行合理的有限元仿真分析，可以在產品設計階段預先得到工程師最關注的參數，如結構整體應力變形等，及時改進設計方案，使產品的抗跌落、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品設計中。運用有限元分析商業軟件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；根據仿真結果對受損部件進行結構優化，得到一個比較滿意的結構改進設計方案。物理試驗驗證了仿真設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構設計中的運用

新產品批量生產前必須經過嚴格的可靠性試驗。展示柜從包裝合格入庫要經過長距離運輸、多次的裝卸，有的產品出口到海外，最后到用戶手中要經過很多流程。為保證產品質量，避免運輸、裝卸過程中產品受到破壞，本公司規定，冷柜批量生產前要經過運輸試驗、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要求進行。

圖1為某型號展示柜設計初期樣機經過運輸試驗、振動試驗和跌落試驗后箱體底部變形情況。經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。根據試驗結果看出引起展示柜下部變形的主要原因是兩側的框架結構強度差，不符合設計要求，因此需要對框架結構改進。

圖2是展示柜下部加強板結構的Pro/E模型示意圖，可以看出：展示柜重量主要由兩側的矩形框架承擔，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，我們對框架的結構進行了簡化，去掉上面一些螺釘固定孔等。框架截面為“L”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、受力設置。材料設置為鋼，位移約束是對框架進行固定，設置框架底部為受力面。

受力最大值的確定，首先需要確定產品脆值。脆值是產品經受振動和沖擊時表示其強度的定量指標，又稱產品的易損度。是設計產品緩沖包裝中的最重要的參數。在實際生產中，一般要通過實驗來測定產品的脆值，但在結構設計中我們可以通過查資料、比較同類產品的脆值來確定。通過比較日本、英國同類產品的脆值，本社集中的產品脆值取[G]=60g[3]。

因此單側框架收到極限壓力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為第一次設計改進后框架的變形受力圖?？梢钥闯鲈诳蚣苌显黾觾蓚€支撐后中間位置最大變形量已經明顯縮小，分別為5.6mm和1.7mm。

圖5b為第二次設計改進后框架的受力變形圖。根據圖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。可以看出兩側最大變形量已經明顯減小，分別是1.66mm和0.3mm。

敏感性分析，現在對框架壁厚作為參數，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，降低產品價格,提高產品的性價比。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 結束語

改進后的展示柜已經批量生產了10萬多臺，并銷往全國各地。根據各地市場反饋，均未發現外殼變形的問題。

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

[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構優化設計[J].振動與沖擊，2009，28(2)：187—190.