刘海科

摘 要：本文通过利用UG NX8.0软件建立一个液晶电视底座上、下支架的实体模型和有限元分析模型，应用NX NASTRAN8.0有限元分析模块对液晶电视底座的塑胶支架零件进行了有限元静态强度分析，得出上、下支架在液晶电视不同工况下的应力分布和变形情况，印证了在液晶电视中以塑料支架代替金属支架零件的强度和刚度符合相关设计要求，为液晶电视底座支架类零件的结构设计优化和降本工作提供了参考依据。

关键词：UG；有限元；结构设计；静态强度分析；底座支架

中图分类号：TP391.7；TH122 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）15-0046-02

底座是液晶电视的重要组成部分，底座中的支架零件是承受载荷的基体，电视机在使用过程中遇到的载荷都会传递作用在支架零件上，支架零件的强度和刚度直接影响着电视机使用的安全性。传统的底座支架零件一般都采用金属零件，材料本身具有很好的机械性能，因此零件的强度在设计上容易得到保证。随着液晶电视向薄轻化的方向发展，整机重量不断降低，同时受到整机成本因素的制约，底座支架零件采取以塑代钢方式进行优化设计一直都是结构设计师努力的方向。为了提高设计效率和降低技术风险，对以塑料代替金属后的液晶电视底座支架零件进行强度和刚度的有限元分析，确保整机在使用过程的安全和稳定性非常重要。

NX NASTRAN是国际上应用最为广泛的CAE工具软件，各个领域的不同制造商依靠其分析结果来设计和生产更为安全可靠的产品，得到更优化的设计，缩短产品研发周期。NX NASTRAN在UG高级仿真模块中承担核心求解功能，通过UG软件完成的三维实体模型可以不做任何格式转换应用到高级仿真模块进行分析和求解，两者之间可以随时进行切换和同步修改，从而大大提高了设计分析的效率。

1 有限元模型的准备

1.1 底座上、下支架模型的建立

大尺寸液晶电视底座按各部分组成的功能划分，主要由上支架、下支架和底板组成，通过UG NX8.0软件建立的底座三维实体模型如图1所示，上、下支架不仅是底座外观件更是重要的结构功能件，上支架通过螺钉穿过过孔与整机连接实现底座对整机的支撑，支架零件之间以及下支架与底板之间都通过螺钉固定连接成一体，本文选择上、下支架分别独立进行有限元静态强度分析。

1.2 上、下支架模型的简化

三维模型中的细小特征会影响零件整体的网格划分，从而增加网格单元的数量使有限元模型过于复杂。在确保有限元分析精度的前提下，为缩小UG的计算规模，提高有限元分析的效率，建模时需对上、下支架的结构进行适当的简化处理，将复杂的模型变成简单的模型，保持模型原有的关键特征，得到关键特征的详细分析结果。简化主要包括：

（1）忽略上、下支架部分非承载特征，如上支架与整机装配的定位筋，下支架与底板装配的定位柱，以及上、下支架之间装配的导向斜角、导向孔和螺钉底孔斜角等；

（2）忽略对支架零件力学性能影响较小的几何细节，如R3以下的外形过渡圆角等；

（3）理想化模型的假设，假设上、下支架是连续的且各项同性的弹性体，上、下支架单独进行有限元强度分析时，与之连接的整机或者部件为不可变形的刚体。

簡化可以在仿真导航器中激活上、下支架的理想化部件文件，通过理想化几何体工具自动删除小于3mm的斜角或者圆角，也可以通过在建模模块中抑制定位孔、导向柱、渐变圆角等特征的方式来完成。

1.3 网格划分

网格划分是有限元分析的基础，有限元网格划分的质量将直接影响数值计算结果的精确性和分析的效率，在工具栏中选择创建FEM文件，选用软件提供的MSC.NASTRAN实体网格生成器进行网格自动划分，激活FEM文件创建三维网格，选择生成有较高计算精度的10节点4面体网格单元，经UG自动网格划分后，上支架模型自动确定单元格的大小为5.52mm，模型共划分为41089个四面体单元和20701个节点。下支架模型自动确定单元格的大小为5.53mm，模型共划分为34254个四面体单元和17934个节点。为便于载荷和约束条件的设定，分别在上、下支架的部分螺钉过孔或者底孔中心处建立网格点，并创建网格点与孔边界的一维RL刚性网格单元。经过上述步骤处理后，建立的上、下支架有限元分析模型如图2所示。

1.4 设置材料属性

分别在上、下支架的FEM文件激活状态下，选择“材料属性”工具，在材料库对话窗口选择各向同性、塑料，并在名称栏搜索“ABS”材料，材料库中找到匹配的目标并将其指定应用在三维网格文件中。其密度为1.05e-6kg/mm3，泊松比0.4，屈服强度40MPa。

1.5 创建约束和载荷

底座上、下支架受到的载荷主要来自于电视机的重力、重力距，以及使用过程中可能作用在电视机上的偶然载荷等。由于电视机使用过程中的搬动会对底座支架造成轻微冲击，加载时按照底座所承载整机重量的1.2倍作为工况1进行分析求解；另一种偶然载荷可能来自整机受到推动从而在上、支架产生的不利载荷，加载时力矩按照使整机失去稳定的最大力矩，推力按照机壳强度试验中50N，并同时考虑整机重量及重力距的状态做为工况2分析求解。分别按照静力等效原则将不同类型载荷均布作用到上、下支架的相应网格单元，上、下支架独立进行有限元分析，分别在螺钉连接处等位移受约束的节点处设置固定约束条件。

1.6 解算设置

选择有限元分析的解算器为MSC.NASTRAN，分析类型为“结构”，解算方案为“单个约束”，选择“自动创建步骤或工况”，默认工作温度为25℃，选择所需要的后处理结果位移列表、应变列表、应力列表和单元力列表。

2 有限元强度分析

应用UG软件提供的高级仿真功能，对解算结果进行处理后可以按照用户的选择以适当的形式表示出来，分析结果可以通过云图、等值线图及动画等形式直观的显示，并根据需要显示计算参数的最大值、最小值。分别选择上、下支架设置的危险工况进行求解分析，经过处理后分别得到上、下支架在两种工况下的变形云图和应力云图，分别如图3、4、5、6所示。

由图3、4可见，在工况1下，上支架的最大变形4.744x10-2mm、最大应力为2.842Mpa，下支架的最大变形4.252x10-2mm、最大应力为1.644Mpa；

根据分析可知，同等工况的下支架变形位移与最大应力都小于上支架，下支架的结构形状具有更好的强度和刚度。两种不同工况的上支架最大变形都出现在与整机固定的螺钉过孔附件A处，最大应力出现在A处下方与过孔连接的筋B处，下支架的最大变形出现在与上支架固定的螺钉柱附近C处，最大应力出现在与螺钉柱连接的筋和结构外形过渡的大圆角位置D处。

上、下支架材料都为ABS，屈服强度为δs=40Mpa，整机在使用过程中底座主要承受静态载荷作用，工况1按照1.2倍搬运冲击系数分析，上支架局部出现最大应力δmax=2.842Mpa，安全系数n=δs/δmax≥14，按照工况2的极端环境条件，整机受到推力并已经失去稳定的情况下，底座静态载荷作用下的上支架局部出现最大应力δmax=3.498Mpa，安全系数n=δs/δmax≥11。整机在使用过程中底座可能出现两种工况，上、下支架模型的最大应力都远小于材料的许用应力，因此ABS材质的支架静力学强度完全满足设计要求。上、下支架在整机正常使用的工况1中最大变形位移分别是0.04744mm和0.04252mm，综合上、下支架总的变形量很小，因此底座的刚度完全可以满足整机使用的要求。

3 结语

通过UG NX8.0建立液晶电视底座的三维实体模型，并在有限元分析模块中对以塑料代替金属的底座支架零件进行了静态强度分析，得出两种环境工况的上、下支架的变形位移和最大应力数值，校核计算表明底座支架零件具有足够的强度和刚度，为该类零件结构设计的选材优化工作提供了重要理论依据，具有很强的实践指导意义。

参考文献

[1]洪如瑾.UG NX4高级仿真培训教程[M].清华大学出版社，2007.endprint