基于UG的LED彩电底座部件CAE分析

孙爱芹，王吉岱，李 磊，鲁天锡

（1.山东科技大学 机电学院，山东 青岛 266510；2.青岛海尔集团 青岛家电工艺装备研究所，山东 青岛 261000）

0 引言

彩电市场竞争日益激烈，为了能在市场占据一席之地，各大彩电厂商除了关注产品质量外，技术升级换代领域也在暗战，新品上市周期越来越短，这对彩电结构件的研发周期和质量提出了新的要求和挑战。

本文将有限元法引入产品和结构设计，对设计的产品进行分析，为设计模型的修改提供数据依据。首先创建某型号电视底座部件三维CAD模型，建立FEM有限元模型，包括定义材料特性、物理属性、划分网络、零件间的联结处理等，再建立SIM仿真模型，定义边界条件，施加力载荷，最后仿真模型后处理，对CAD模型验证。

1 创建电视机底座CAD模型

底座部件是承载受力的部件，承载整个彩电机身的重量，除底座部件外，此型号彩电的机身重量为12 kg，底座部件在整机中的位置如图1所示。

底座部件由3个零件组成，用6颗自攻螺钉联结，3个零件分别为底座面板、转接件和底座立柱，见图2。

底座面板下方9处支撑面可在仿真分析设为固定约束，即边界条件之一，如图3所示。

底座立柱受力部位为5处螺钉过孔内下表面，受力方向如图4中螺钉上方红色箭头所示，3个零件的装配间隙为0，按照曲面接触处理。

2 创建FEM模型

在CAD模型基础上，创建有限元模型，使用NX NASTRAN求解器，分析类型结构。底座的3个零件均为受力部件，在选用材料时考虑采用工程塑料ABS，创建与CAD模型对应的3个PSOLID类型的物理属性，单元拓扑结构设为3D，集合类型选择实体，物理属性依次选择刚建立的3个PSOLID类型，逐一划分单元网络，单元类型选择10节点四面体，底座立柱、转接件、底座面板的单元大小分别为4 mm，3.41 mm，4.56 mm。检查有限元模型，划分的单元类型应满足宽高比、翘曲、歪斜、拔锥、雅可比比率、雅可比零点以及2D最小最大角度等性能指标，划分失败的单元网络如果不超过总数的1%可不予考虑，有限元模型如图5所示[1-2]。

3 建立SIM仿真模型

底座立柱、转接件、底座面板3个零件的联结做曲面接触处理，图6a所示为底座立柱与转接件、转接件与底座面板曲面粘结效果[3]；底座立柱与转接件结合部位如图6b和图6c所示；转接件与底座面板结合部位如图6d和图6e所示。

底座面板固定约束，图7显示了固定约束效果。底座面板固定约束部位见图3。

底座立柱螺钉过孔内下半表面施加2.4 kg的力载荷，如图8a所示，为了能准确施加力载荷到螺钉过孔内下半表面，在有限元建模前的理想化模型中，必须使用分割面把图中5处螺钉过孔分割两半[4]，如图8b和图8c所示。

4 仿真结果处理与分析

底座部件在Y轴方向上的节点位移如图9所示，最大位移为0.0454 mm，最大位移点发生在底座立柱零件上。行业规范为0.5 mm，0.0454 mm＜0.5 mm符合行业要求。

底座部件的单元节点冯氏应力如图10所示，最大应力发生在底座面板的一处脚垫支撑位置，应力数值为1.5135 MPa，ABS材料的屈服强度为40 MPa，1.5135 MPa＜40 MPa×60%，根据屈服函数von Mises准则，CAD设计模型符合强度要求。

此外，底座部件的某些地方存在应力集中，如图11所示，应力集中处或增加倒角、过度圆弧、增大料厚尺寸。底座立柱应力集中分布于螺钉过孔下方的加强筋处，大端料厚可以设计为1.2 mm，小端料厚设为1 mm。转接件应力集中部位在右侧尖角处，增加此处圆角，设为R0.2。底座面板应力集中分布在4个脚垫支持的圆环上，增加圆环料厚，小端料厚调整1 mm，大端料厚增加至1.2 mm，同时圆环与根部倒圆角R0.2。

5 小结

对彩电底座面板进行CAE仿真分析，可以验证所设计的CAD模型的可行性，为CAD模型的结构优化提供数字依据，修改后的图纸模型已经开模，试模产品已经通过装机验证和型式验证。

当今彩电技术更新换代迅速，市场竞争已经白热化，市场竞争归根到底还是技术实力的较量，如何能在质量、交期、成本上拔得头筹是各企业关注的焦点，将有限元法引入产品和结构设计是CAE的重要组成部分。基于CAD和CAE的现代产品设计方法专注于每一个设计环节的精确分析及其优化，这极大减少了设计过程中的缺陷和不足，提高产品的质量和可靠性，大幅缩短产品上市时间，为企业参与竞争提供支持。

[1]沈春根，王贵成，王树林.UGNX7.5有限元分析入门与实例精讲[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2]耿鲁怡，徐六飞.UG结构分析培训教程[M].北京：清华大学出版社，2005.

[3]张峰.NX Nastran基础分析指南[M].北京：清华大学出版社，2005.

[4]马爱军，周传月，王旭.Patran和Nastran有限元分析专业教程[M].北京：高等教育出版社，2005.