UG軟件的有限元強度分析在結構設計中的應用

劉海科

摘 要：本文通過利用UG NX8.0軟件建立一個液晶電視底座上、下支架的實體模型和有限元分析模型，應用NX NASTRAN8.0有限元分析模塊對液晶電視底座的塑膠支架零件進行了有限元靜態強度分析，得出上、下支架在液晶電視不同工況下的應力分布和變形情況，印證了在液晶電視中以塑料支架代替金屬支架零件的強度和剛度符合相關設計要求，為液晶電視底座支架類零件的結構設計優化和降本工作提供了參考依據。

關鍵詞：UG；有限元；結構設計；靜態強度分析；底座支架

中圖分類號：TP391.7；TH122 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）15-0046-02

底座是液晶電視的重要組成部分，底座中的支架零件是承受載荷的基體，電視機在使用過程中遇到的載荷都會傳遞作用在支架零件上，支架零件的強度和剛度直接影響著電視機使用的安全性。傳統的底座支架零件一般都采用金屬零件，材料本身具有很好的機械性能，因此零件的強度在設計上容易得到保證。隨著液晶電視向薄輕化的方向發展，整機重量不斷降低，同時受到整機成本因素的制約，底座支架零件采取以塑代鋼方式進行優化設計一直都是結構設計師努力的方向。為了提高設計效率和降低技術風險，對以塑料代替金屬后的液晶電視底座支架零件進行強度和剛度的有限元分析，確保整機在使用過程的安全和穩定性非常重要。

NX NASTRAN是國際上應用最為廣泛的CAE工具軟件，各個領域的不同制造商依靠其分析結果來設計和生產更為安全可靠的產品，得到更優化的設計，縮短產品研發周期。NX NASTRAN在UG高級仿真模塊中承擔核心求解功能，通過UG軟件完成的三維實體模型可以不做任何格式轉換應用到高級仿真模塊進行分析和求解，兩者之間可以隨時進行切換和同步修改，從而大大提高了設計分析的效率。

1 有限元模型的準備

1.1 底座上、下支架模型的建立

大尺寸液晶電視底座按各部分組成的功能劃分，主要由上支架、下支架和底板組成，通過UG NX8.0軟件建立的底座三維實體模型如圖1所示，上、下支架不僅是底座外觀件更是重要的結構功能件，上支架通過螺釘穿過過孔與整機連接實現底座對整機的支撐，支架零件之間以及下支架與底板之間都通過螺釘固定連接成一體，本文選擇上、下支架分別獨立進行有限元靜態強度分析。

1.2 上、下支架模型的簡化

三維模型中的細小特征會影響零件整體的網格劃分，從而增加網格單元的數量使有限元模型過于復雜。在確保有限元分析精度的前提下，為縮小UG的計算規模，提高有限元分析的效率，建模時需對上、下支架的結構進行適當的簡化處理，將復雜的模型變成簡單的模型，保持模型原有的關鍵特征，得到關鍵特征的詳細分析結果。簡化主要包括：

（1）忽略上、下支架部分非承載特征，如上支架與整機裝配的定位筋，下支架與底板裝配的定位柱，以及上、下支架之間裝配的導向斜角、導向孔和螺釘底孔斜角等；

（2）忽略對支架零件力學性能影響較小的幾何細節，如R3以下的外形過渡圓角等；

（3）理想化模型的假設，假設上、下支架是連續的且各項同性的彈性體，上、下支架單獨進行有限元強度分析時，與之連接的整機或者部件為不可變形的剛體。

簡化可以在仿真導航器中激活上、下支架的理想化部件文件，通過理想化幾何體工具自動刪除小于3mm的斜角或者圓角，也可以通過在建模模塊中抑制定位孔、導向柱、漸變圓角等特征的方式來完成。

1.3 網格劃分

網格劃分是有限元分析的基礎，有限元網格劃分的質量將直接影響數值計算結果的精確性和分析的效率，在工具欄中選擇創建FEM文件，選用軟件提供的MSC.NASTRAN實體網格生成器進行網格自動劃分，激活FEM文件創建三維網格，選擇生成有較高計算精度的10節點4面體網格單元，經UG自動網格劃分后，上支架模型自動確定單元格的大小為5.52mm，模型共劃分為41089個四面體單元和20701個節點。下支架模型自動確定單元格的大小為5.53mm，模型共劃分為34254個四面體單元和17934個節點。為便于載荷和約束條件的設定，分別在上、下支架的部分螺釘過孔或者底孔中心處建立網格點，并創建網格點與孔邊界的一維RL剛性網格單元。經過上述步驟處理后，建立的上、下支架有限元分析模型如圖2所示。

1.4 設置材料屬性

分別在上、下支架的FEM文件激活狀態下，選擇“材料屬性”工具，在材料庫對話窗口選擇各向同性、塑料，并在名稱欄搜索“ABS”材料，材料庫中找到匹配的目標并將其指定應用在三維網格文件中。其密度為1.05e-6kg/mm3，泊松比0.4，屈服強度40MPa。

1.5 創建約束和載荷

底座上、下支架受到的載荷主要來自于電視機的重力、重力距，以及使用過程中可能作用在電視機上的偶然載荷等。由于電視機使用過程中的搬動會對底座支架造成輕微沖擊，加載時按照底座所承載整機重量的1.2倍作為工況1進行分析求解；另一種偶然載荷可能來自整機受到推動從而在上、支架產生的不利載荷，加載時力矩按照使整機失去穩定的最大力矩，推力按照機殼強度試驗中50N，并同時考慮整機重量及重力距的狀態做為工況2分析求解。分別按照靜力等效原則將不同類型載荷均布作用到上、下支架的相應網格單元，上、下支架獨立進行有限元分析，分別在螺釘連接處等位移受約束的節點處設置固定約束條件。

1.6 解算設置

選擇有限元分析的解算器為MSC.NASTRAN，分析類型為“結構”，解算方案為“單個約束”，選擇“自動創建步驟或工況”，默認工作溫度為25℃，選擇所需要的后處理結果位移列表、應變列表、應力列表和單元力列表。

2 有限元強度分析

應用UG軟件提供的高級仿真功能，對解算結果進行處理后可以按照用戶的選擇以適當的形式表示出來，分析結果可以通過云圖、等值線圖及動畫等形式直觀的顯示，并根據需要顯示計算參數的最大值、最小值。分別選擇上、下支架設置的危險工況進行求解分析，經過處理后分別得到上、下支架在兩種工況下的變形云圖和應力云圖，分別如圖3、4、5、6所示。

由圖3、4可見，在工況1下，上支架的最大變形4.744x10-2mm、最大應力為2.842Mpa，下支架的最大變形4.252x10-2mm、最大應力為1.644Mpa；

根據分析可知，同等工況的下支架變形位移與最大應力都小于上支架，下支架的結構形狀具有更好的強度和剛度。兩種不同工況的上支架最大變形都出現在與整機固定的螺釘過孔附件A處，最大應力出現在A處下方與過孔連接的筋B處，下支架的最大變形出現在與上支架固定的螺釘柱附近C處，最大應力出現在與螺釘柱連接的筋和結構外形過渡的大圓角位置D處。

上、下支架材料都為ABS，屈服強度為δs=40Mpa，整機在使用過程中底座主要承受靜態載荷作用，工況1按照1.2倍搬運沖擊系數分析，上支架局部出現最大應力δmax=2.842Mpa，安全系數n=δs/δmax≥14，按照工況2的極端環境條件，整機受到推力并已經失去穩定的情況下，底座靜態載荷作用下的上支架局部出現最大應力δmax=3.498Mpa，安全系數n=δs/δmax≥11。整機在使用過程中底座可能出現兩種工況，上、下支架模型的最大應力都遠小于材料的許用應力，因此ABS材質的支架靜力學強度完全滿足設計要求。上、下支架在整機正常使用的工況1中最大變形位移分別是0.04744mm和0.04252mm，綜合上、下支架總的變形量很小，因此底座的剛度完全可以滿足整機使用的要求。

3 結語

通過UG NX8.0建立液晶電視底座的三維實體模型，并在有限元分析模塊中對以塑料代替金屬的底座支架零件進行了靜態強度分析，得出兩種環境工況的上、下支架的變形位移和最大應力數值，校核計算表明底座支架零件具有足夠的強度和剛度，為該類零件結構設計的選材優化工作提供了重要理論依據，具有很強的實踐指導意義。

參考文獻

[1]洪如瑾.UG NX4高級仿真培訓教程[M].清華大學出版社，2007.endprint