一种新型旋转式笔筒的设计及可靠性分析*

张艳华

（广东科技学院机电工程学院，广东东莞 523083）

0 引言

笔筒是生活中常用的文房用具，除了最重要的实用性之外，有个性、有趣味的创意笔筒更加令人喜爱。目前，笔筒多存在外形单一、功能性不强、稳定性不好等不足[1]。为此，本文设计一款可以放置各类文具、可以旋转、自由拆卸，既可当文具又可当玩具的笔筒。使用SolidWorks软件完成零件的建模和组装。同时，为验证其力学性能，使用SolidWorks Simulation模块进行了静应力分析。

1 笔筒设计

1.1 结构设计与建模

结构分析模型的创建是结构分析的前提。模型建立直接影响分析精度，模型创建与实际情况越接近，分析结果就越准确。为了分析顺利进行，在进行有限元分析前，通常要对模型进行简化[2]。综合笔筒本身圆角较多，为保证后续有限元分析的高效运行，对其进行了简化。设计出的笔筒结构简化模型如图1所示，由底座、转轴、转套、4个小笔筒（图中隐藏了1个）、转套盖和顶棚组成。

安装好后总高度为225.6 mm，总宽度为208 mm，占用空间小。4个小笔筒按照常用笔的类型和尺寸设计出不同的边高，方便取放，具体尺寸如图2所示，每个笔筒厚度均为2 mm。

图1 笔筒结构图

图2 4个笔筒的尺寸

4个小笔筒通过筒壁上的T型扣插入到转轴套的T型槽中，二者之间在宽度方向上为间隙配合，容易拆卸，连接方式如图3所示。转套通过中间的圆柱孔直接装在转轴上，孔与轴为间隙配合，方便拆卸和旋转。转轴与底座之间采用台阶式过渡配合，底座层次穿孔、结构简单、易于加工、易于拆卸和安装，且能保证二者之间的稳定连接[2]，连接形式如图4所示。转套盖通过销插入转套上的销孔固定，防止小笔筒从转套脱离。

图3 笔筒与转轴套的T型扣连接

图4 转轴与底座连接方式

1.2 材料设计

所有零件的材料均选用PP聚丙烯，PP为无毒、无味的乳白色高结晶的聚合物，是目前所有塑料中最轻的品种之一，成型性好、制品表面光泽好、易于着色。PP的结晶度高、结构规整、因而具有优良的力学性能，其强度和硬度、弹性都比高密度PE(HDPE)高。PP具有良好的耐热性，制品能在100℃以上温度进行消毒灭菌，其化学稳定性很好，除能被浓硫酸、浓硝酸腐蚀外，对其他化学试剂都比较稳定，所以抗腐蚀性能好。聚丙烯(PP)产量大、易于成型，对注塑机的选用没有特殊要求。因聚丙烯(PP)具有以上优点，选用聚丙烯(PP)作为这次笔筒设计的材料[3-4]。

1.3 外观设计

为了增加趣味性，每个小笔筒的外表面均设计有可爱的图案花纹或积极向上的文字符号，详情见文献[4]。颜色采用时下流行的牛油果绿色，温感不扎眼，生机勃勃，与学生阳光活泼的形象相呼应。

2 有限元分析

笔筒在使用过程中会承受压力、冲击等载荷作用，但多为4个小笔筒对转轴和底座的静压力以及单个小笔筒载荷重、其他小笔筒载荷较轻造成的不稳定性，故需要对综合笔筒进行应力应变分析。

2.1 4个小笔筒对转轴和底座的静应力分析

打开SolidWorks Simulation模块，新建静应力分析算例。2.1.1材料设置

关于模型材质的设定，通常有2种方式：一种是从Solid-Works的材料库中选取；另一种是通过用户自定义的方式来完成[5]。本文综合笔筒模型材料设定为PP共聚物，可直接从材料库中选取。

2.1.2 边界条件

有限元分析利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟，分析结果的误差取决于几何模型、材料、载荷、约束、网格划分及计算器，其中影响分析结果最大的因素是约束和载荷，即边界条件。不恰当的边界条件会使分析模型的结果严重偏离实际结果[6]。本文根据笔筒的实际使用情况，对底座底面施加固定几何体约束，对4个小笔筒筒底面施加垂直向下的力，力的大小根据每个笔筒中盛放物品的实际重量预估，载荷施加情况如表1所示。

表1 4个小笔筒中物品参数表

2.1.3 网格划分

鉴于综合笔筒结构的复杂性，采用SolidWorks Simulation中网格智能划分方法进行网格划分。对4个小笔筒采用网格控制，单元大小为13.022 mm，比率1.5。其他地方采用生成网格，基于曲率的网格，最大单元大小为25.964 8 mm，最小单元大小为5.192 96 mm。为提高分析速度，减少单元数量，采用高品质单元，雅可比点4点。求解器为FFEPlus，经网格划分，其节点总数为31 591，单元数为17 295[7-8]。网格划分如图5所示。

2.1.4 静应力分析

完成上述设置后，启动有限元分析。经分析计算得到的综合笔筒模型应力云图和位移云图结果如图6～7所示。

图5 模型网格划分

图6 笔筒的应力分析图解

图7 笔筒的位移分析图解

从图6～7分析结果可以发现，整个装配体结构应力最大的地方发生在T型扣处，最大应力约为1.26 MPa，远小于材料的屈服强度（约30 MPa）。4个小笔筒在受到载荷作用后的最大位移为0.35 mm，安全性能强，满足实际使用强度的要求。

2.2 优化设计

可以适当减小筒的壁厚。图8～9为壁厚减小为1.5 mm后笔筒的应力和位移分析图解。从中可以看出，最大应力变为1.34 MPa时，仍能满足强度要求。

图8 壁厚减小后笔筒的应力分析图解

图9 壁厚减小后笔筒的位移分析图解

3 结束语

通过对设计完成的笔筒进行有限元分析，得出以下结论。

（1）笔筒的最大应力值远远小于材料本身的屈服强度，说明该笔筒在盛放如表1所示的物品数量下是非常安全的，而且可以适当减小笔筒的壁厚，节省材料。

（2）笔筒的结构设计合理，便于拆卸安装和使用，便于制造加工，既具实用性又具趣味性，有很高的使用价值。