基于Pro/E的支撑板结构优化设计与分析

沈小强，钟江静

（苏州工业职业技术学院，江苏苏州 215104）

基于Pro/E的支撑板结构优化设计与分析

沈小强，钟江静

（苏州工业职业技术学院，江苏苏州 215104）

支撑板是电视机底座中的关键支撑件，承受着整个电视机的重量，为保证平稳安装，其应具有足够的强度和刚度，且满足一定的平面度和垂直度要求。针对现有支撑板在生产装配过程中所出现的问题，在不改变原使用性能的基础上，对其结构进行了改进并利用Pro/E软件进行了优化设计，降低了其静态应力、变形位移和重量。同时，优化设计与改进后的结构有利于模具的设计及其生产质量的保证。

支撑板;结构优化;Pro/E;分析

【本文献信息】沈小强，钟江静.基于Pro/E的支撑板结构优化设计与分析［J］.电视技术，2013，37（13）.

媒体曾报道过一条关于某品牌液晶电视机底座支撑件的质量问题的新闻，指出支撑件由于质量问题而存在断裂风险，容易导致电视机倾倒而对消费者造成人身伤害。支撑板是承力零件，为了保证其能够平稳的支撑电视机而不发生变形和断裂，应满足强度和刚度要求［1］。在现有支撑板结构的基础上，针对冲压生产过程中所出现的平面度、角度质量问题和装配过程中所出现的装配困难问题，提出了一种改进的设计结构，并利用Pro/E软件进行了结构分析与优化设计，结果显示在满足使用性能的基础上，重量减轻，结构更有利于后续模具的设计及其质量的保证。

1 支撑板装配结构分析

支撑板是电视机底座中的关键支撑件，为了保证安装后电视机平稳，要求支撑板各平面的平面度小于0.1 mm，侧面与底面的角度公差为 ±0.15°［2］。在装配结构中，支撑板的底面与底座中的旋转柱相配合连接;挂钩用来悬挂电视机，承受外力;侧面与电视接触面贴合。支撑板在底座中的装配结构如图1所示。

2 支撑板结构分析与优化设计

由图1可以得到电视机对上下挂钩的受力分析可作为悬臂梁来对待，而梁以弯曲变形为主，主要考虑其挠度和转角，根据材料力学计算可得到挠度f和转角θ计算公式［3］

图1 底座装配结构

式中:P为集中力;a为集中力到固定端长度;l为梁伸出长度;E为弹性模量;I为惯性距。

2.1 模型的建立

进行钣金件设计，在设计过程中对凸包、圆凸台等不影响结构分析的部位进行了简化，所完成支撑板模型如图3所示。

2.2 基于Pro/E MECHANICA的结构分析

由于挂钩所承受载荷为局部区域，所以先画出受力载荷区域，再进入MECHANICA模块创建曲面区域。

2.2.1 创建材料、约束和载荷

在Pro/E的MECHANICA应用程序中对模型的材料进行定义设置，材料为冲压性能好的3 mm酸洗板（SPHC），经查阅手册得到与之相当材料的有关数据，设置其基本特性值、屈服强度和抗拉强度等参数并为模型指定材料［4］。根据支撑板的装配关系对其进行约束，定义位移约束选取底面进行固定。为了满足设计的要求与安全性，以其所支撑电视机的最大重量和搬动（或转动）过程中所受外力作为单个挂钩的载荷分析条件，对4个挂钩创建力载荷设置为245 N，结果如图4所示。

图4 载荷约束结构

2.2.2 静态分析

对模型进行静态分析定义后运行结果，得到应力云纹图如图5a所示，显示在下挂钩折弯处为最大接触压强63.52 MPa;得到变形位移云纹图如图5b所示，显示下挂钩为最大位移0.012 3 mm。

图5 静态分析

由图5静态分析可以得出图3所示支撑板的强度和刚度满足使用要求，但该结构在实际生产装配过程中会出现平面度、角度质量问题或出现零件合格但a、b面贴合间隙不均匀的情况，影响了底座装配的难易度和4个挂钩的位移量。

2.3 结构优化设计

针对上述问题，在不改变原使用性能的基础上，以减轻重量和简化结构为目标对支撑板进行了改进设计，改进后的结构如图6所示。

图6 支撑板改进模型

2.3.1 静力分析

对改进模型的材料、约束、载荷等参数进行相同设置后运行静态分析定义，结果如图7所示。应力云纹图显示在下挂钩折弯处为最大接触压强92.05 MPa;变形位移云纹图显示下挂钩为最大位移0.021 5 mm。

图7 静态分析

通过与图5的对比分析可以得出其所受应力和变形位移量都有所增大，而侧面的变形位移量反而有所减小。

2.3.2 灵敏度分析

在Pro/E MECHANICA中的灵敏度分析可分为全局灵敏度和局部灵敏度分析两大类。一般先进行局部灵敏度分析，确定主要参数对模型性能的影响程度，再对那些对模型性能影响较大的参数进行全局灵敏度分析［5］。

对支撑板进行局部灵敏度分析，得到对挂钩影响最大的参数主要有截面尺寸，伸出长度和集中力到固定端长度，与式（2）分析基本一致。但由于材料厚度一定，所以主要观察其高度尺寸h、伸出长度l和集中力到固定端长度a三个参数分别对等效应力和变形位移的影响，运行结果如图8所示。

图8 局部灵敏度测量图（截图）

2.3.3 优化设计

所谓优化设计就是在指定研究目标、约束条件和设计参数等之后在参数的指定范围内求出可满足研究目标和约束条件的最佳解决方案［5］。以重量最轻为优化目标［6］，以原模型最大等效应力63.52 MPa和最大位移0.012 3 mm为设计极限对参数h、l和a进行优化分析，结果如图9a所示，对原模型结构进行质量属性分析如图9b所示。对优化后的结构进行静态分析，运行结果后得到应力云纹图如图10a所示，显示在下挂钩折弯处为最大接触压强61.24 MPa;得到变形位移云纹图如图10b所示，显示下挂钩为最大位移0.012 28 mm。由于行业规范为0.5 mm，0.012 28 mm ＜0.5 mm 符合行业要求［7］。

图9 对比图

图10 静态分析

通过图5和图10的对比分析得出在不改变原使用性能的基础上，支撑板结构简化，静态应力和变形位移有所减小，满足使用要求。

3 支撑板应用分析

优化设计后的支撑板结构比原模型简单，通过冲压工艺分析，且对比原模型结构的冲压工艺设计［8］，其在冲压加工方面的应用可以比原工艺设计减少一道弯曲工序，降低了参考文献［8］所述级进模结构的复杂程度，降低了模具的制造成本。优化设计后的支撑板结构在质量方面易于保证侧面与底面的角度公差要求，可避免出现零件合格但a、b面贴合间隙不均匀的情况，提高了产品的质量，更有利于装配工作的顺利开展。

4 结论

利用Pro/E MECHANICA模块，对电视机底座支撑板进行了静态分析和优化设计，得到了改进后的优化结构。其在满足使用要求和性能的基础上，减轻了重量，简化了结构，减少了后续折弯工序，有利于后续模具结构的设计改进及其产品质量的保证，对生产实践应用有重要的指导意义。

:

［1］李雄赞.一种支承底座的结构设计方案［J］.机电产品开发与创新，2009，22（3）:65－67.

［2］钟江静，周梦荣，宗越，等.支撑板弯曲模的结构设计改进［J］.锻压技术，2011，36（3）:110－112.

［3］刘鸿文.材料力学［M］.北京:高等教育出版社，2000.

［4］温秉权.金属材料手册［M］.北京:电子工业出版社，2009.

［5］二代龙震工作室.Pro/MECHANICA Widlfire5.0结构/热力分析［M］.北京:清华大学出版社，2011.

［6］范海雄，韩华亭，王崴.一种支撑架的设计与结构优化［J］.机械设计与制造，2010（5）:9－11.

［7］孙爱芹，王吉岱，李磊，等.基于UG的LED彩电底座部件CAE分析［J］.电视技术，2011，35（16）:43－45.

［8］钟江静，宗越，梁士红.支撑板冲压工艺设计［J］.模具技术，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

沈小强（1980— ），讲师，硕士生，主要从事机械设计、CAD/CAM/CAE等方面的教学与研究;

钟江静（1964— ），女，讲师，本科，主要从事模具设计与制造、计算机辅助设计的教学与研究。

责任编辑:魏雨博

2013－01－06