可折疊便攜式牙刷的有限元分析及生產管理研究

曹偉光 夏軼群 魯國慶（上海應用技術大學 經濟與管理學院，上海 201418）

可折疊便攜式牙刷的有限元分析及生產管理研究

曹偉光 夏軼群 魯國慶（上海應用技術大學 經濟與管理學院，上海 201418）

本文結合設計一款可折疊便攜式牙刷并對其進行有限元分析，得出結果最大應力及最大位移均符合設計要求，同時研究牙刷在企業生產中的管理方法。最后是對便攜式牙刷的研究與生產管理未來的展望。

折疊；便攜式；牙刷；有限元；管理

根據現有技術中的牙刷分析得出，沒有防污功能，而且設計不符合一定的人機工程，本文通過人機工程的理念，主要對牙刷進行進一步設計研究，并通過ANSYS WORKBENCH有限元分析軟件的分析可對生產前進行相應分析評估，為后續生產工作減少損失，降低成本的效果。

1 可折疊便攜式牙刷的設計與生產管理研究

通過CATIA V5三維建模軟件對可折疊便攜式牙刷模型進行簡單設計，并進行調整以及對其生產管理的分析研究。

1.1 模型建立

利用三維建模軟件對牙刷進行設計，并通過相應的輔助調整對現有技術進行改進設計，從而設計一款具有折疊功能的更具便攜性的牙刷，為用戶帶來便利性[1]。可折疊便攜式牙刷分由牙刷部分和刷頭防護罩部分組成，后續為了得到分析結果只針對牙刷部分的柄部進行有限元分析。

1.2 企業生產管理研究

通過已經設計好的牙刷模型，生產中應針對牙刷的材料選取進一步分析，假設采用材質較硬的塑料，同時防護罩的材料應是防水功能，便于清洗。

可折疊便攜式牙刷的生產管理中應注意以下內容：

企業應該建立內部安全小組，堅持記錄每天的安全狀況，統計數據，對企業安全情況進行評估，反饋給高層后，提出整改意見，然后再繼續進行。此方法是一旦規定下達，必須堅持。企業應建立有針對性的規章制度，加以規范員工的不良習慣。制度建立，立即落實執行。

2 可折疊便攜式牙刷有限元分析

由于WORKBENCH是有限元分析常用分析工具，本文利用WORKBENCH 14.5版本的有限元分析軟件，此CAE分析軟件是由ANSYS公司開發。WORKBENCH里具有建模功能Design Modeler、分析功能Design Simulation等，還提供了不同環境之間相互切換操作的方法，同時也能夠很便利的切換為ANSYS的經典版進行操作[2]，故使用此方法進行相應的有限元分析研究。

分析軟件不僅能夠與CATIA、UG等三維軟件無縫連接，同時還可以通過轉換格式，如IGS、IGES等，將其與NX等CAE軟件實現數據的互換功能，是一款相當便攜且多功能的有限元分析軟件。本文設計的輔助設備均是在CATIA的三維軟件中建立三維模型，并導入到有限元軟件中進行有限元分析[3]。

2.1 有限元模型的建立及定義材料屬性

首先選擇結構靜力學仿真分析，然后通過CATIA三維軟件將三維模型轉換格式，轉成IGS格式后導入至有限元軟件中。為了確保分析結果的準確性以及節省計算時間提高工作效率，故對可折疊便攜式牙刷進行相應簡化處理，省去可刷頭部位等。

結構靜力學仿真分析包括以下幾個步驟：

(1)3D模型的建立并導入分析軟件；

(2)定義材料的屬性；

(3)劃分網格；

(4)定義邊界的條件及載荷的施加

(5)后處理及結果的分析

可折疊便攜式牙刷柄部選用Q235B，彈性模量210GPa,泊松比0.27，因為結構鋼的硬度較大，在工業設備中作為優先選擇對象。同時利用有限元軟件中的“boned”接觸的單元類型，并給予丙部一端向上的力F=1000N，從而來模擬仿真有限元模型的所有接觸面。

為了簡化模型，主要分析牙刷柄[4-5]，網格劃分的方法采用自動網格劃分，單元數為2276，節點數為4812。

2.2 有限元分析及結果

從有限元分析可得出，中間的連接點最大應力為1325MPa，符合設計要求，底端的最大形變為0.107mm，可通過加厚尾部的厚度達到減少位移的效果。

3 結語

本文通過有限元分析對已授權的專利，可折疊便攜式牙刷進行有限元分析，同時對可折疊便攜式牙刷在企業生產管理中的研究，分析結果符合設計要求。主要得出以下結論：

從有限元分析可看出，中間的連接點最大應力為1325MPa，符合材料的設計要求，底端的最大位移為0.107mm，可通過加厚尾部的厚度達到減少位移，得出進一步優化設計的效果。

本課題雖然對已授權的專利進行相應的有限元分析研究，但是由于本人的學術能力和時間的限制，本文還有一些不足，提出以下建議：

本文僅針對已設計的可折疊便攜式牙刷的柄部進行有限元分析，而未對整個部分進行分析，結果與現實會有一定差距。在以后的研究中，應對其他部件進行詳細分析并給出較全的分析數據，提高整體環節研究分析的完整性。

[1]李志鵬，夏軼群，曹偉光.可折疊便攜式牙刷[P].中國專利：CN105029888B，2016-09-14.

[2]李德雨.基于ANSYS Workbench的多層波紋管自振頻率計算[J].礦山機械，2005，(6):83-84.

[3]黃志新,劉成柱.ANSYS Workbench 14.5超級學習手冊[M].北京:人民郵電出版社，2013.

[4]韓江,孟超,姚銀鴿,等.大型數控落地鏜銑床主軸箱的有限元分析[J].組合機床與自動化加工技術,2009,(10):82-84.

[5]叢明,房波,周資亮.車-車拉數控機床拖板有限元分析及優化設計[J].中國機械工程,2008,(2):208-213.

曹偉光，上海應用技術大學，安徽宿州，碩士研究生，化學工程專業，無損檢測工程師。