一種新型旋轉(zhuǎn)式筆筒的設(shè)計(jì)及可靠性分析*

張艷華

（廣東科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東東莞 523083）

0 引言

筆筒是生活中常用的文房用具，除了最重要的實(shí)用性之外，有個(gè)性、有趣味的創(chuàng)意筆筒更加令人喜愛。目前，筆筒多存在外形單一、功能性不強(qiáng)、穩(wěn)定性不好等不足[1]。為此，本文設(shè)計(jì)一款可以放置各類文具、可以旋轉(zhuǎn)、自由拆卸，既可當(dāng)文具又可當(dāng)玩具的筆筒。使用SolidWorks軟件完成零件的建模和組裝。同時(shí)，為驗(yàn)證其力學(xué)性能，使用SolidWorks Simulation模塊進(jìn)行了靜應(yīng)力分析。

1 筆筒設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模

結(jié)構(gòu)分析模型的創(chuàng)建是結(jié)構(gòu)分析的前提。模型建立直接影響分析精度，模型創(chuàng)建與實(shí)際情況越接近，分析結(jié)果就越準(zhǔn)確。為了分析順利進(jìn)行，在進(jìn)行有限元分析前，通常要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化[2]。綜合筆筒本身圓角較多，為保證后續(xù)有限元分析的高效運(yùn)行，對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)化。設(shè)計(jì)出的筆筒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型如圖1所示，由底座、轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)套、4個(gè)小筆筒（圖中隱藏了1個(gè)）、轉(zhuǎn)套蓋和頂棚組成。

安裝好后總高度為225.6 mm，總寬度為208 mm，占用空間小。4個(gè)小筆筒按照常用筆的類型和尺寸設(shè)計(jì)出不同的邊高，方便取放，具體尺寸如圖2所示，每個(gè)筆筒厚度均為2 mm。

圖1 筆筒結(jié)構(gòu)圖

圖2 4個(gè)筆筒的尺寸

4個(gè)小筆筒通過筒壁上的T型扣插入到轉(zhuǎn)軸套的T型槽中，二者之間在寬度方向上為間隙配合，容易拆卸，連接方式如圖3所示。轉(zhuǎn)套通過中間的圓柱孔直接裝在轉(zhuǎn)軸上，孔與軸為間隙配合，方便拆卸和旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)軸與底座之間采用臺(tái)階式過渡配合，底座層次穿孔、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工、易于拆卸和安裝，且能保證二者之間的穩(wěn)定連接[2]，連接形式如圖4所示。轉(zhuǎn)套蓋通過銷插入轉(zhuǎn)套上的銷孔固定，防止小筆筒從轉(zhuǎn)套脫離。

圖3 筆筒與轉(zhuǎn)軸套的T型扣連接

圖4 轉(zhuǎn)軸與底座連接方式

1.2 材料設(shè)計(jì)

所有零件的材料均選用PP聚丙烯，PP為無毒、無味的乳白色高結(jié)晶的聚合物，是目前所有塑料中最輕的品種之一，成型性好、制品表面光澤好、易于著色。PP的結(jié)晶度高、結(jié)構(gòu)規(guī)整、因而具有優(yōu)良的力學(xué)性能，其強(qiáng)度和硬度、彈性都比高密度PE(HDPE)高。PP具有良好的耐熱性，制品能在100℃以上溫度進(jìn)行消毒滅菌，其化學(xué)穩(wěn)定性很好，除能被濃硫酸、濃硝酸腐蝕外，對(duì)其他化學(xué)試劑都比較穩(wěn)定，所以抗腐蝕性能好。聚丙烯(PP)產(chǎn)量大、易于成型，對(duì)注塑機(jī)的選用沒有特殊要求。因聚丙烯(PP)具有以上優(yōu)點(diǎn)，選用聚丙烯(PP)作為這次筆筒設(shè)計(jì)的材料[3-4]。

1.3 外觀設(shè)計(jì)

為了增加趣味性，每個(gè)小筆筒的外表面均設(shè)計(jì)有可愛的圖案花紋或積極向上的文字符號(hào)，詳情見文獻(xiàn)[4]。顏色采用時(shí)下流行的牛油果綠色，溫感不扎眼，生機(jī)勃勃，與學(xué)生陽光活潑的形象相呼應(yīng)。

2 有限元分析

筆筒在使用過程中會(huì)承受壓力、沖擊等載荷作用，但多為4個(gè)小筆筒對(duì)轉(zhuǎn)軸和底座的靜壓力以及單個(gè)小筆筒載荷重、其他小筆筒載荷較輕造成的不穩(wěn)定性，故需要對(duì)綜合筆筒進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。

2.1 4個(gè)小筆筒對(duì)轉(zhuǎn)軸和底座的靜應(yīng)力分析

打開SolidWorks Simulation模塊，新建靜應(yīng)力分析算例。2.1.1材料設(shè)置

關(guān)于模型材質(zhì)的設(shè)定，通常有2種方式：一種是從Solid-Works的材料庫(kù)中選取；另一種是通過用戶自定義的方式來完成[5]。本文綜合筆筒模型材料設(shè)定為PP共聚物，可直接從材料庫(kù)中選取。

2.1.2 邊界條件

有限元分析利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬，分析結(jié)果的誤差取決于幾何模型、材料、載荷、約束、網(wǎng)格劃分及計(jì)算器，其中影響分析結(jié)果最大的因素是約束和載荷，即邊界條件。不恰當(dāng)?shù)倪吔鐥l件會(huì)使分析模型的結(jié)果嚴(yán)重偏離實(shí)際結(jié)果[6]。本文根據(jù)筆筒的實(shí)際使用情況，對(duì)底座底面施加固定幾何體約束，對(duì)4個(gè)小筆筒筒底面施加垂直向下的力，力的大小根據(jù)每個(gè)筆筒中盛放物品的實(shí)際重量預(yù)估，載荷施加情況如表1所示。

表1 4個(gè)小筆筒中物品參數(shù)表

2.1.3 網(wǎng)格劃分

鑒于綜合筆筒結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，采用SolidWorks Simulation中網(wǎng)格智能劃分方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)4個(gè)小筆筒采用網(wǎng)格控制，單元大小為13.022 mm，比率1.5。其他地方采用生成網(wǎng)格，基于曲率的網(wǎng)格，最大單元大小為25.964 8 mm，最小單元大小為5.192 96 mm。為提高分析速度，減少單元數(shù)量，采用高品質(zhì)單元，雅可比點(diǎn)4點(diǎn)。求解器為FFEPlus，經(jīng)網(wǎng)格劃分，其節(jié)點(diǎn)總數(shù)為31 591，單元數(shù)為17 295[7-8]。網(wǎng)格劃分如圖5所示。

2.1.4 靜應(yīng)力分析

完成上述設(shè)置后，啟動(dòng)有限元分析。經(jīng)分析計(jì)算得到的綜合筆筒模型應(yīng)力云圖和位移云圖結(jié)果如圖6～7所示。

圖5 模型網(wǎng)格劃分

圖6 筆筒的應(yīng)力分析圖解

圖7 筆筒的位移分析圖解

從圖6～7分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)裝配體結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大的地方發(fā)生在T型扣處，最大應(yīng)力約為1.26 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度（約30 MPa）。4個(gè)小筆筒在受到載荷作用后的最大位移為0.35 mm，安全性能強(qiáng)，滿足實(shí)際使用強(qiáng)度的要求。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

可以適當(dāng)減小筒的壁厚。圖8～9為壁厚減小為1.5 mm后筆筒的應(yīng)力和位移分析圖解。從中可以看出，最大應(yīng)力變?yōu)?.34 MPa時(shí)，仍能滿足強(qiáng)度要求。

圖8 壁厚減小后筆筒的應(yīng)力分析圖解

圖9 壁厚減小后筆筒的位移分析圖解

3 結(jié)束語

通過對(duì)設(shè)計(jì)完成的筆筒進(jìn)行有限元分析，得出以下結(jié)論。

（1）筆筒的最大應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料本身的屈服強(qiáng)度，說明該筆筒在盛放如表1所示的物品數(shù)量下是非常安全的，而且可以適當(dāng)減小筆筒的壁厚，節(jié)省材料。

（2）筆筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，便于拆卸安裝和使用，便于制造加工，既具實(shí)用性又具趣味性，有很高的使用價(jià)值。