可折叠便携式牙刷的有限元分析及生产管理研究

曹伟光 夏轶群 鲁国庆（上海应用技术大学 经济与管理学院，上海 201418）

可折叠便携式牙刷的有限元分析及生产管理研究

曹伟光 夏轶群 鲁国庆（上海应用技术大学 经济与管理学院，上海 201418）

本文结合设计一款可折叠便携式牙刷并对其进行有限元分析，得出结果最大应力及最大位移均符合设计要求，同时研究牙刷在企业生产中的管理方法。最后是对便携式牙刷的研究与生产管理未来的展望。

折叠；便携式；牙刷；有限元；管理

根据现有技术中的牙刷分析得出，没有防污功能，而且设计不符合一定的人机工程，本文通过人机工程的理念，主要对牙刷进行进一步设计研究，并通过ANSYS WORKBENCH有限元分析软件的分析可对生产前进行相应分析评估，为后续生产工作减少损失，降低成本的效果。

1 可折叠便携式牙刷的设计与生产管理研究

通过CATIA V5三维建模软件对可折叠便携式牙刷模型进行简单设计，并进行调整以及对其生产管理的分析研究。

1.1 模型建立

利用三维建模软件对牙刷进行设计，并通过相应的辅助调整对现有技术进行改进设计，从而设计一款具有折叠功能的更具便携性的牙刷，为用户带来便利性[1]。可折叠便携式牙刷分由牙刷部分和刷头防护罩部分组成，后续为了得到分析结果只针对牙刷部分的柄部进行有限元分析。

1.2 企业生产管理研究

通过已经设计好的牙刷模型，生产中应针对牙刷的材料选取进一步分析，假设采用材质较硬的塑料，同时防护罩的材料应是防水功能，便于清洗。

可折叠便携式牙刷的生产管理中应注意以下内容：

企业应该建立内部安全小组，坚持记录每天的安全状况，统计数据，对企业安全情况进行评估，反馈给高层后，提出整改意见，然后再继续进行。此方法是一旦规定下达，必须坚持。企业应建立有针对性的规章制度，加以规范员工的不良习惯。制度建立，立即落实执行。

2 可折叠便携式牙刷有限元分析

由于WORKBENCH是有限元分析常用分析工具，本文利用WORKBENCH 14.5版本的有限元分析软件，此CAE分析软件是由ANSYS公司开发。WORKBENCH里具有建模功能Design Modeler、分析功能Design Simulation等，还提供了不同环境之间相互切换操作的方法，同时也能够很便利的切换为ANSYS的经典版进行操作[2]，故使用此方法进行相应的有限元分析研究。

分析软件不仅能够与CATIA、UG等三维软件无缝连接，同时还可以通过转换格式，如IGS、IGES等，将其与NX等CAE软件实现数据的互换功能，是一款相当便携且多功能的有限元分析软件。本文设计的辅助设备均是在CATIA的三维软件中建立三维模型，并导入到有限元软件中进行有限元分析[3]。

2.1 有限元模型的建立及定义材料属性

首先选择结构静力学仿真分析，然后通过CATIA三维软件将三维模型转换格式，转成IGS格式后导入至有限元软件中。为了确保分析结果的准确性以及节省计算时间提高工作效率，故对可折叠便携式牙刷进行相应简化处理，省去可刷头部位等。

结构静力学仿真分析包括以下几个步骤：

(1)3D模型的建立并导入分析软件；

(2)定义材料的属性；

(3)划分网格；

(4)定义边界的条件及载荷的施加

(5)后处理及结果的分析

可折叠便携式牙刷柄部选用Q235B，弹性模量210GPa,泊松比0.27，因为结构钢的硬度较大，在工业设备中作为优先选择对象。同时利用有限元软件中的“boned”接触的单元类型，并给予丙部一端向上的力F=1000N，从而来模拟仿真有限元模型的所有接触面。

为了简化模型，主要分析牙刷柄[4-5]，网格划分的方法采用自动网格划分，单元数为2276，节点数为4812。

2.2 有限元分析及结果

从有限元分析可得出，中间的连接点最大应力为1325MPa，符合设计要求，底端的最大形变为0.107mm，可通过加厚尾部的厚度达到减少位移的效果。

3 结语

本文通过有限元分析对已授权的专利，可折叠便携式牙刷进行有限元分析，同时对可折叠便携式牙刷在企业生产管理中的研究，分析结果符合设计要求。主要得出以下结论：

从有限元分析可看出，中间的连接点最大应力为1325MPa，符合材料的设计要求，底端的最大位移为0.107mm，可通过加厚尾部的厚度达到减少位移，得出进一步优化设计的效果。

本课题虽然对已授权的专利进行相应的有限元分析研究，但是由于本人的学术能力和时间的限制，本文还有一些不足，提出以下建议：

本文仅针对已设计的可折叠便携式牙刷的柄部进行有限元分析，而未对整个部分进行分析，结果与现实会有一定差距。在以后的研究中，应对其他部件进行详细分析并给出较全的分析数据，提高整体环节研究分析的完整性。

[1]李志鹏，夏轶群，曹伟光.可折叠便携式牙刷[P].中国专利：CN105029888B，2016-09-14.

[2]李德雨.基于ANSYS Workbench的多层波纹管自振频率计算[J].矿山机械，2005，(6):83-84.

[3]黄志新,刘成柱.ANSYS Workbench 14.5超级学习手册[M].北京:人民邮电出版社，2013.

[4]韩江,孟超,姚银鸽,等.大型数控落地镗铣床主轴箱的有限元分析[J].组合机床与自动化加工技术,2009,(10):82-84.

[5]丛明,房波,周资亮.车-车拉数控机床拖板有限元分析及优化设计[J].中国机械工程,2008,(2):208-213.

曹伟光，上海应用技术大学，安徽宿州，硕士研究生，化学工程专业，无损检测工程师。