利用Pro/E Mechanica有限元分析优化展示柜结构设计

郭树明 任兆麟 张慧娟 吕红艳

（河南新飞电器有限公司 河南新乡 453002）

1 引言

Mechanica作为Pro/E的主要分析模块之一，其分析能力比起相对专业的分析软件无法匹敌，但Pro/E作为今天使用率最高的三维CAD软件，其顺手就能完成的趋势评估分析，比起准确率达到99%的分析软件来说，尽管准确率达不到较为精准的目标，确更贴近绝大多数的使用者。

mechanica模块是集运动、结构、热力学于一体的大型分析模块，能够进行静态、动态、疲劳、冲击等多种分析。而在使用界面及操作风格上与其他常用模块十分接近，因此对于Pro/E使用者来说十分容易上手，另外Mechanica的集成工作模式能够直接调用建模参数进行优化分析，这是其他分析软件无法做到的[1]。

冷柜等家电类产品在在运输和装卸过程中都可能承受冲击和碰撞，如果产品和包装结构设计不合理，产品就会产生出现缺陷破损。所以在新产品开发过程中需要考虑产品在发生跌落冲击后会发生什么样的后果，是否满足强度设计要求。这可以通过对样机进行跌落试验来获得相关的数据。家电产品出厂前都需要通过运输、振动、跌落物理试验。但是实物试验的成本太高，延长产品生产周期，适应不了当今科技发展的步伐，更失去占领市场的先机[2]。

而跌落仿真很好地解决了此类同题，它利用计算机仿真技术，针对产品的跌落过程进行合理的有限元仿真分析，可以在产品设计阶段预先得到工程师最关注的参数，如结构整体应力变形等，及时改进设计方案，使产品的抗跌落、抗冲击能力得到明显提高。本文将有限元仿真分析手段引入到冷柜产品设计中。运用有限元分析商业软件Pro/E Mechanica，对某型号展示柜的整机跌落过程进行了仿真分析，预测展示柜在特定的试验条件下的受损情况；根据仿真结果对受损部件进行结构优化，得到一个比较满意的结构改进设计方案。物理试验验证了仿真设计方法的可行性和正确性。

2 Pro/E mechanica有限元分析在展示柜结构设计中的运用

新产品批量生产前必须经过严格的可靠性试验。展示柜从包装合格入库要经过长距离运输、多次的装卸，有的产品出口到海外，最后到用户手中要经过很多流程。为保证产品质量，避免运输、装卸过程中产品受到破坏，本公司规定，冷柜批量生产前要经过运输试验、振动试验、跌落试验的验证。运输路程单程不少于1000Km，路况选择三、四级公路；振动试验、跌落试验分别按照GB/T 1019家用和类似用途电器包装通则相关要求进行。

图1为某型号展示柜设计初期样机经过运输试验、振动试验和跌落试验后箱体底部变形情况。经过测量底部变形的竖直方向最大值为35mm。图中可以看出作为缓冲材料的下包装托没有明显变形和损坏。根据试验结果看出引起展示柜下部变形的主要原因是两侧的框架结构强度差，不符合设计要求，因此需要对框架结构改进。

图2是展示柜下部加强板结构的Pro/E模型示意图，可以看出：展示柜重量主要由两侧的矩形框架承担，改进矩形框架的强度首先就是要求对单侧的框架进行受力分析。

图3为框架的Pro/E模型图，为加快计算过程，我们对框架的结构进行了简化，去掉上面一些螺钉固定孔等。框架截面为“L”钢板，尺寸为28×15×2mm。进入Pro/E Mechanical软件，首先对模型进行材料、位移约束、受力设置。材料设置为钢，位移约束是对框架进行固定，设置框架底部为受力面。

受力最大值的确定，首先需要确定产品脆值。脆值是产品经受振动和冲击时表示其强度的定量指标，又称产品的易损度。是设计产品缓冲包装中的最重要的参数。在实际生产中，一般要通过实验来测定产品的脆值，但在结构设计中我们可以通过查资料、比较同类产品的脆值来确定。通过比较日本、英国同类产品的脆值，本社集中的产品脆值取[G]=60g[3]。

因此单侧框架收到极限压力P=m×g×[G]=70×9.8×60×0.5=20580N

已知展示柜重量m＝70kg。

图4a、图4b分别为框架两侧变形位移图最大极限变形位移，从图中可以看出最大极限变位移分别是83.5mm、25mm。图中显示框架的变形情况与图1所示情况相同。

图5a为第一次设计改进后框架的变形受力图。可以看出在框架上增加两个支撑后中间位置最大变形量已经明显缩小，分别为5.6mm和1.7mm。

图5b为第二次设计改进后框架的受力变形图。根据图5a中框架最大变形的部位，将框架的上下两个部件截面由“L”型改成“U”型，尺寸为15×28×10。可以看出两侧最大变形量已经明显减小，分别是1.66mm和0.3mm。

敏感性分析，现在对框架壁厚作为参数，范围从1mm到2.5mm进行敏感度分析，从图6可以看出最大变形量随着壁厚的增加而变形量减小。

优化分析：

通过对框架壁厚对变形量的分析，在满足强度条件下，尽量减轻模型的重量，降低产品价格,提高产品的性价比。我们最终确定框架的的壁厚为1.2mm,截面为“U”型，尺寸为15×28×10。

3 结束语

改进后的展示柜已经批量生产了10万多台，并销往全国各地。根据各地市场反馈，均未发现外壳变形的问题。

在冷柜等家电产品设计阶段采用仿真技术对产品在装载和运输过程中发生的跌落冲击等使用情况进行仿真，可以使设计者在设计阶段即可预知设计缺陷，并加以改进。这样不仅能够保证设计产品的质量，而且大大加速产品开发过程、减少后期实验费用[4]，提高设计一次成功率。

[1] 祝凌云 李斌 PRO/ENGINEER运动仿真和有限元分析北京 人民邮电出版社 2004

[2] 华丽，钱静.洗衣机运输包装件的跌落仿真分析[J].包装工程，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 海尔冰箱物流运输与包装

[4] 余本刚.林翰，孙瑜，等.微波炉跌落仿真及结构优化设计[J].振动与冲击，2009，28(2)：187—190.