通过Pro/E MECHANICA Structure模块对手机前盖与后盖装配中受静荷载作用的力学分析[1],优化手机的装配结构,从而大大缩短其设计周期,降低生产成本,以适应产品激烈的市场竞争,因此应用Pro/E MECHANICA Structure模块设计塑料产品有着重要的现实意义。
1 主要零件装配结构的分析
1.1 零件结构的介绍
手机前盖基本壁厚1.2 mm,侧壁1.9 mm(见图1)。a处为4个伸出式卡扣;b处为4个定位锁紧螺钉柱孔。手机后盖基本壁厚1.2 mm(见图2),a处为2个固定前后盖及PCB板的螺钉孔, b处为固定前后盖及PCB板的螺钉柱, a、b处与前盖结构图中螺钉柱相南粤论文中心(WWW.NYLW.NET)配合; c处为4个卡扣槽, 用于与后盖固定。
1.2 装配关系的分析
手机前盖与后盖由上部两个,中部两个共四个卡扣连接,再加上四组中空的螺钉柱中穿销钉连接在一起,电池盖与后盖由上部两个,下部两个,中部四个共八个卡扣连接(见图3)所示。在组装过程中螺钉柱主要起支撑作用,而卡扣、卡扣槽等部分呈悬臂状态,在组装连接时容易损坏,故着重考虑卡扣、卡扣槽组装时受静态荷载时候的受力分析,以下借助Pro/MECHNICA Structure对手机前后盖及电池盖结构的优化,从而进行装配设计[2]。
2 装配结构设计
2.1 手机模型组成
手机模型主要结构零件包括外壳组件,电路板,显示屏,键盘等(见图3)。
观察图4~图5可知,在前盖外表面安装显示屏幕的四个拐角处应力为50 MPa、前盖内表面安装显示屏幕的四个拐角处应力为70 MPa,以及中部的两个支柱与前盖两侧壁相接的拐角处应力为92.47 MPa,以上各处受力超出了ABS/PC的应力极限44 MPa,所以对其结构进行改进。
对前盖上部卡扣槽与前盖内表面相连接拐角处、前盖外表面安装显示屏幕的四个拐角处做圆弧过渡(见图6~图7)、在支柱两侧设置角撑,计算其尺寸[4]。
T=0.8 mm A=0.8T=0.64 mmB=2T=1.6 mmC=0.8 mmD=2T=1.6 mm
中部的两个支柱与前盖两侧壁相接的拐角处做圆弧过渡,避免应力集中,降低此处所受的应力大小, 然后再进行受力分析(见图8),未超出受力极限,满足受力要求。
a 应力云图b 位移云图
2.3 手机后盖的装配结构设计
对手机后盖材料的添加与新位移约束的添加同前盖,在上部和中部的卡扣斜面、后盖背面装电池盖的中部和下部的卡扣槽表面、后盖背面装电池盖的中部的卡扣槽表面等几处设置载荷,由经验公式[5]可知
分析卡扣在装配时,弯曲力容易使卡扣变形,弯曲力在垂直于斜面的分量即卡扣斜面的正压力对其影响较大,其大小为N=P·cos α=11.6·cos 45°=11.6×0.707=8.2 N
另外后盖背面与电池盖共有八处卡扣连接,即上部两处、中部及下部六处。
其计算公式 Pd=bt2Eε6LQ
其中,电池盖上部两个卡扣的相关参数为
所以,后盖上部与电池盖卡扣连接面处所受的力大小Phs=Pds=3.1 N
电池盖中部及下部六个卡扣的相关参数如下:
观察图9~图10可知,在后盖内表面的中部两个柱体上表面受应力81.93 MPa,柱体与后盖内表面相接处受应力最大为819 MPa,后盖外表面的中部装卡扣的槽壁受应力为81.93 MPa,后盖外表面中部两孔端面及台阶面受应力为81.93 MPa,以上各处南粤论文中心(WWW.NYLW.NET)超出了ABS/PC的应力极限44 MPa,所以对其结构进行改进。
在后盖内表面的中部两个柱体上表面相接的拐角处、柱体与后盖内表面相接处、后盖外表面的中部装卡扣的槽壁、后盖外表面中部两孔端面及台阶面圆弧过渡(见图11～图14),这样避免了应力集中,降低了这几处所受的应力大小,然后再进行受力分析,应力及位移云图如图15所示,未超出受力极限,满足受力要求。
对电池盖零件进行受力分析,该模型添加材料为ABS/PC,设置相关参数后,添加新位移约束,选择电池盖的内表面,6个自由度被固定,约束设置好后,在上部、中部及下部的卡扣斜面处设置载荷(见图16)。其受力为
观察应力云图可知,电池盖上部两个卡扣与电池盖连接处受应力为45.34 MPa(见图18),电池盖下部两个卡扣与电池盖连接处受应力为65.98 MPa(见图19),超出ABS/PC的应力极限44 MPa,所以对其结构进行改进。
a 整体b 局部放大
a 整体效果b 局部放大
电池盖上部两个卡扣与电池盖连接处、电池盖下部两个卡扣与电池盖连接处做圆弧过渡(见图20~图21),这样避免应力集中,降低此处所受的应力大小,为了增大摩擦力便于安装电池盖,并遵循加强刚性设计原则,增加电池盖强度,在电池盖背面设置加强筋(见图22),其尺寸[4]如下:
因为电池盖壁厚 h=1 mm,所以加强筋每边斜角θ=0.5°;
筋高L≤5 h,取2 mm;
筋间距l1在2 h～3 h之间,取3 mm;
基部半径R在0.25 h～0.4 h之间,取0.5 mm;
筋的厚度t在0.4 h～0.8 h之间,取0.5 mm。
然后再进行受力分析, 应力及位移云图(见图23),未超出受力极限,满足受力要求。
a 修改前结构b 修改后结构
图20 上部卡扣与电池盖连接处修改后的结构
a 修改前结构b 修改后结构
图21 下部卡扣与电池盖连接处修改后的结构
a 修改前的电池盖背面b 电池盖背面设置加强筋
图22 电池盖背面修改后的结构
3 结论
(1) 直板手机前盖与后盖,后盖与电池盖的卡扣连接受力看似很小,但结构设计不当,依然会造成手机在组装时零件的损坏;
(2) 应用Pro/E MECHANICA Structure模块,对手机前盖和后盖, 后盖与电池盖在组装过程中受静载荷作用的力学分析,预先发现易损坏的结构,并及时进行改进,优化了手机前后盖及电池盖的结构,使得手机前盖和后盖, 后盖与电池盖能顺利组装而不会损坏。
a 应力云图b 位移云图
参考文献:
[1] 葛正浩, 杨芙莲.Pro/ENGINEER Wildfire 3.0 机械结构有限元分析[M].北京: 化学工业出版社, 2007:81-118. (责任编辑：南欧)转贴于南粤论文中心: http://www.nylw.net(南粤论文中心__代写代发论文_毕业论文带写_广州职称论文代发_广州论文网）
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基于Pro/E MECHNICA Structure的手机装配结构设计
来源：南粤论文中心(WWW.NYLW.NET) 作者：董海东 发表于：2010-11-30 16:28 点击：次
【关健词】结构;优化;Pro/E MECHNICA Structure
摘 要:由于塑料产品装配设计要考虑荷载下的变形,确保塑料产品的形状和尺寸,所以研究塑料产品的力学性能在其装配设计中具有重要的意义。在分析手机主要零部件的结构特点及装配连接关系后,借助Pro/E MECHANICA Structure模块分析直板手机在装配中,手机前盖、后盖及电池盖
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