基于Pro/E的支撐板結構優化設計與分析

沈小強，鐘江靜

（蘇州工業職業技術學院，江蘇蘇州 215104）

基于Pro/E的支撐板結構優化設計與分析

沈小強，鐘江靜

（蘇州工業職業技術學院，江蘇蘇州 215104）

支撐板是電視機底座中的關鍵支撐件，承受著整個電視機的重量，為保證平穩安裝，其應具有足夠的強度和剛度，且滿足一定的平面度和垂直度要求。針對現有支撐板在生產裝配過程中所出現的問題，在不改變原使用性能的基礎上，對其結構進行了改進并利用Pro/E軟件進行了優化設計，降低了其靜態應力、變形位移和重量。同時，優化設計與改進后的結構有利于模具的設計及其生產質量的保證。

支撐板;結構優化;Pro/E;分析

【本文獻信息】沈小強，鐘江靜.基于Pro/E的支撐板結構優化設計與分析［J］.電視技術，2013，37（13）.

媒體曾報道過一條關于某品牌液晶電視機底座支撐件的質量問題的新聞，指出支撐件由于質量問題而存在斷裂風險，容易導致電視機傾倒而對消費者造成人身傷害。支撐板是承力零件，為了保證其能夠平穩的支撐電視機而不發生變形和斷裂，應滿足強度和剛度要求［1］。在現有支撐板結構的基礎上，針對沖壓生產過程中所出現的平面度、角度質量問題和裝配過程中所出現的裝配困難問題，提出了一種改進的設計結構，并利用Pro/E軟件進行了結構分析與優化設計，結果顯示在滿足使用性能的基礎上，重量減輕，結構更有利于后續模具的設計及其質量的保證。

1 支撐板裝配結構分析

支撐板是電視機底座中的關鍵支撐件，為了保證安裝后電視機平穩，要求支撐板各平面的平面度小于0.1 mm，側面與底面的角度公差為 ±0.15°［2］。在裝配結構中，支撐板的底面與底座中的旋轉柱相配合連接;掛鉤用來懸掛電視機，承受外力;側面與電視接觸面貼合。支撐板在底座中的裝配結構如圖1所示。

2 支撐板結構分析與優化設計

由圖1可以得到電視機對上下掛鉤的受力分析可作為懸臂梁來對待，而梁以彎曲變形為主，主要考慮其撓度和轉角，根據材料力學計算可得到撓度f和轉角θ計算公式［3］

圖1 底座裝配結構

式中:P為集中力;a為集中力到固定端長度;l為梁伸出長度;E為彈性模量;I為慣性距。

2.1 模型的建立

進行鈑金件設計，在設計過程中對凸包、圓凸臺等不影響結構分析的部位進行了簡化，所完成支撐板模型如圖3所示。

2.2 基于Pro/E MECHANICA的結構分析

由于掛鉤所承受載荷為局部區域，所以先畫出受力載荷區域，再進入MECHANICA模塊創建曲面區域。

2.2.1 創建材料、約束和載荷

在Pro/E的MECHANICA應用程序中對模型的材料進行定義設置，材料為沖壓性能好的3 mm酸洗板（SPHC），經查閱手冊得到與之相當材料的有關數據，設置其基本特性值、屈服強度和抗拉強度等參數并為模型指定材料［4］。根據支撐板的裝配關系對其進行約束，定義位移約束選取底面進行固定。為了滿足設計的要求與安全性，以其所支撐電視機的最大重量和搬動（或轉動）過程中所受外力作為單個掛鉤的載荷分析條件，對4個掛鉤創建力載荷設置為245 N，結果如圖4所示。

圖4 載荷約束結構

2.2.2 靜態分析

對模型進行靜態分析定義后運行結果，得到應力云紋圖如圖5a所示，顯示在下掛鉤折彎處為最大接觸壓強63.52 MPa;得到變形位移云紋圖如圖5b所示，顯示下掛鉤為最大位移0.012 3 mm。

圖5 靜態分析

由圖5靜態分析可以得出圖3所示支撐板的強度和剛度滿足使用要求，但該結構在實際生產裝配過程中會出現平面度、角度質量問題或出現零件合格但a、b面貼合間隙不均勻的情況，影響了底座裝配的難易度和4個掛鉤的位移量。

2.3 結構優化設計

針對上述問題，在不改變原使用性能的基礎上，以減輕重量和簡化結構為目標對支撐板進行了改進設計，改進后的結構如圖6所示。

圖6 支撐板改進模型

2.3.1 靜力分析

對改進模型的材料、約束、載荷等參數進行相同設置后運行靜態分析定義，結果如圖7所示。應力云紋圖顯示在下掛鉤折彎處為最大接觸壓強92.05 MPa;變形位移云紋圖顯示下掛鉤為最大位移0.021 5 mm。

圖7 靜態分析

通過與圖5的對比分析可以得出其所受應力和變形位移量都有所增大，而側面的變形位移量反而有所減小。

2.3.2 靈敏度分析

在Pro/E MECHANICA中的靈敏度分析可分為全局靈敏度和局部靈敏度分析兩大類。一般先進行局部靈敏度分析，確定主要參數對模型性能的影響程度，再對那些對模型性能影響較大的參數進行全局靈敏度分析［5］。

對支撐板進行局部靈敏度分析，得到對掛鉤影響最大的參數主要有截面尺寸，伸出長度和集中力到固定端長度，與式（2）分析基本一致。但由于材料厚度一定，所以主要觀察其高度尺寸h、伸出長度l和集中力到固定端長度a三個參數分別對等效應力和變形位移的影響，運行結果如圖8所示。

圖8 局部靈敏度測量圖（截圖）

2.3.3 優化設計

所謂優化設計就是在指定研究目標、約束條件和設計參數等之后在參數的指定范圍內求出可滿足研究目標和約束條件的最佳解決方案［5］。以重量最輕為優化目標［6］，以原模型最大等效應力63.52 MPa和最大位移0.012 3 mm為設計極限對參數h、l和a進行優化分析，結果如圖9a所示，對原模型結構進行質量屬性分析如圖9b所示。對優化后的結構進行靜態分析，運行結果后得到應力云紋圖如圖10a所示，顯示在下掛鉤折彎處為最大接觸壓強61.24 MPa;得到變形位移云紋圖如圖10b所示，顯示下掛鉤為最大位移0.012 28 mm。由于行業規范為0.5 mm，0.012 28 mm ＜0.5 mm 符合行業要求［7］。

圖9 對比圖

圖10 靜態分析

通過圖5和圖10的對比分析得出在不改變原使用性能的基礎上，支撐板結構簡化，靜態應力和變形位移有所減小，滿足使用要求。

3 支撐板應用分析

優化設計后的支撐板結構比原模型簡單，通過沖壓工藝分析，且對比原模型結構的沖壓工藝設計［8］，其在沖壓加工方面的應用可以比原工藝設計減少一道彎曲工序，降低了參考文獻［8］所述級進模結構的復雜程度，降低了模具的制造成本。優化設計后的支撐板結構在質量方面易于保證側面與底面的角度公差要求，可避免出現零件合格但a、b面貼合間隙不均勻的情況，提高了產品的質量，更有利于裝配工作的順利開展。

4 結論

利用Pro/E MECHANICA模塊，對電視機底座支撐板進行了靜態分析和優化設計，得到了改進后的優化結構。其在滿足使用要求和性能的基礎上，減輕了重量，簡化了結構，減少了后續折彎工序，有利于后續模具結構的設計改進及其產品質量的保證，對生產實踐應用有重要的指導意義。

:

［1］李雄贊.一種支承底座的結構設計方案［J］.機電產品開發與創新，2009，22（3）:65－67.

［2］鐘江靜，周夢榮，宗越，等.支撐板彎曲模的結構設計改進［J］.鍛壓技術，2011，36（3）:110－112.

［3］劉鴻文.材料力學［M］.北京:高等教育出版社，2000.

［4］溫秉權.金屬材料手冊［M］.北京:電子工業出版社，2009.

［5］二代龍震工作室.Pro/MECHANICA Widlfire5.0結構/熱力分析［M］.北京:清華大學出版社，2011.

［6］范海雄，韓華亭，王崴.一種支撐架的設計與結構優化［J］.機械設計與制造，2010（5）:9－11.

［7］孫愛芹，王吉岱，李磊，等.基于UG的LED彩電底座部件CAE分析［J］.電視技術，2011，35（16）:43－45.

［8］鐘江靜，宗越，梁士紅.支撐板沖壓工藝設計［J］.模具技術，2011，37（5）:33－36.

Structural Optimization Design and Analysis of Support Plate Based on Pro/E

SHEN Xiaoqiang，ZHONG Jiangjing

（Suzhou Institute of Industrial Technology，Jiangsu Suzhou 215104，China）

The support plate is critical to the base of TV，which bears the weight of the TV.To ensure a smooth installation，it should be of sufficient strength and stiffness，and meets the requirement of flatness and verticality.Regarding the problems occurring in current manufacture and assembles，the structure of the support plate is improved and its design with Pro/E based on its original performance is optimized.Its stress，displacement and weight are reduced.Further more，the new structure benefits the mould design and the quality of production.

support plate;structural optimization;Pro/E;analysis

TN949.1

A

沈小強（1980— ），講師，碩士生，主要從事機械設計、CAD/CAM/CAE等方面的教學與研究;

鐘江靜（1964— ），女，講師，本科，主要從事模具設計與制造、計算機輔助設計的教學與研究。

責任編輯:魏雨博

2013－01－06