一種新型旋轉式筆筒的設計及可靠性分析*

張艷華

（廣東科技學院機電工程學院，廣東東莞 523083）

0 引言

筆筒是生活中常用的文房用具，除了最重要的實用性之外，有個性、有趣味的創(chuàng)意筆筒更加令人喜愛。目前，筆筒多存在外形單一、功能性不強、穩(wěn)定性不好等不足[1]。為此，本文設計一款可以放置各類文具、可以旋轉、自由拆卸，既可當文具又可當玩具的筆筒。使用SolidWorks軟件完成零件的建模和組裝。同時，為驗證其力學性能，使用SolidWorks Simulation模塊進行了靜應力分析。

1 筆筒設計

1.1 結構設計與建模

結構分析模型的創(chuàng)建是結構分析的前提。模型建立直接影響分析精度，模型創(chuàng)建與實際情況越接近，分析結果就越準確。為了分析順利進行，在進行有限元分析前，通常要對模型進行簡化[2]。綜合筆筒本身圓角較多，為保證后續(xù)有限元分析的高效運行，對其進行了簡化。設計出的筆筒結構簡化模型如圖1所示，由底座、轉軸、轉套、4個小筆筒（圖中隱藏了1個）、轉套蓋和頂棚組成。

安裝好后總高度為225.6 mm，總寬度為208 mm，占用空間小。4個小筆筒按照常用筆的類型和尺寸設計出不同的邊高，方便取放，具體尺寸如圖2所示，每個筆筒厚度均為2 mm。

圖1 筆筒結構圖

圖2 4個筆筒的尺寸

4個小筆筒通過筒壁上的T型扣插入到轉軸套的T型槽中，二者之間在寬度方向上為間隙配合，容易拆卸，連接方式如圖3所示。轉套通過中間的圓柱孔直接裝在轉軸上，孔與軸為間隙配合，方便拆卸和旋轉。轉軸與底座之間采用臺階式過渡配合，底座層次穿孔、結構簡單、易于加工、易于拆卸和安裝，且能保證二者之間的穩(wěn)定連接[2]，連接形式如圖4所示。轉套蓋通過銷插入轉套上的銷孔固定，防止小筆筒從轉套脫離。

圖3 筆筒與轉軸套的T型扣連接

圖4 轉軸與底座連接方式

1.2 材料設計

所有零件的材料均選用PP聚丙烯，PP為無毒、無味的乳白色高結晶的聚合物，是目前所有塑料中最輕的品種之一，成型性好、制品表面光澤好、易于著色。PP的結晶度高、結構規(guī)整、因而具有優(yōu)良的力學性能，其強度和硬度、彈性都比高密度PE(HDPE)高。PP具有良好的耐熱性，制品能在100℃以上溫度進行消毒滅菌，其化學穩(wěn)定性很好，除能被濃硫酸、濃硝酸腐蝕外，對其他化學試劑都比較穩(wěn)定，所以抗腐蝕性能好。聚丙烯(PP)產量大、易于成型，對注塑機的選用沒有特殊要求。因聚丙烯(PP)具有以上優(yōu)點，選用聚丙烯(PP)作為這次筆筒設計的材料[3-4]。

1.3 外觀設計

為了增加趣味性，每個小筆筒的外表面均設計有可愛的圖案花紋或積極向上的文字符號，詳情見文獻[4]。顏色采用時下流行的牛油果綠色，溫感不扎眼，生機勃勃，與學生陽光活潑的形象相呼應。

2 有限元分析

筆筒在使用過程中會承受壓力、沖擊等載荷作用，但多為4個小筆筒對轉軸和底座的靜壓力以及單個小筆筒載荷重、其他小筆筒載荷較輕造成的不穩(wěn)定性，故需要對綜合筆筒進行應力應變分析。

2.1 4個小筆筒對轉軸和底座的靜應力分析

打開SolidWorks Simulation模塊，新建靜應力分析算例。2.1.1材料設置

關于模型材質的設定，通常有2種方式：一種是從Solid-Works的材料庫中選?。涣硪环N是通過用戶自定義的方式來完成[5]。本文綜合筆筒模型材料設定為PP共聚物，可直接從材料庫中選取。

2.1.2 邊界條件

有限元分析利用數學近似的方法對真實物理系統(tǒng)進行模擬，分析結果的誤差取決于幾何模型、材料、載荷、約束、網格劃分及計算器，其中影響分析結果最大的因素是約束和載荷，即邊界條件。不恰當的邊界條件會使分析模型的結果嚴重偏離實際結果[6]。本文根據筆筒的實際使用情況，對底座底面施加固定幾何體約束，對4個小筆筒筒底面施加垂直向下的力，力的大小根據每個筆筒中盛放物品的實際重量預估，載荷施加情況如表1所示。

表1 4個小筆筒中物品參數表

2.1.3 網格劃分

鑒于綜合筆筒結構的復雜性，采用SolidWorks Simulation中網格智能劃分方法進行網格劃分。對4個小筆筒采用網格控制，單元大小為13.022 mm，比率1.5。其他地方采用生成網格，基于曲率的網格，最大單元大小為25.964 8 mm，最小單元大小為5.192 96 mm。為提高分析速度，減少單元數量，采用高品質單元，雅可比點4點。求解器為FFEPlus，經網格劃分，其節(jié)點總數為31 591，單元數為17 295[7-8]。網格劃分如圖5所示。

2.1.4 靜應力分析

完成上述設置后，啟動有限元分析。經分析計算得到的綜合筆筒模型應力云圖和位移云圖結果如圖6～7所示。

圖5 模型網格劃分

圖6 筆筒的應力分析圖解

圖7 筆筒的位移分析圖解

從圖6～7分析結果可以發(fā)現(xiàn)，整個裝配體結構應力最大的地方發(fā)生在T型扣處，最大應力約為1.26 MPa，遠小于材料的屈服強度（約30 MPa）。4個小筆筒在受到載荷作用后的最大位移為0.35 mm，安全性能強，滿足實際使用強度的要求。

2.2 優(yōu)化設計

可以適當減小筒的壁厚。圖8～9為壁厚減小為1.5 mm后筆筒的應力和位移分析圖解。從中可以看出，最大應力變?yōu)?.34 MPa時，仍能滿足強度要求。

圖8 壁厚減小后筆筒的應力分析圖解

圖9 壁厚減小后筆筒的位移分析圖解

3 結束語

通過對設計完成的筆筒進行有限元分析，得出以下結論。

（1）筆筒的最大應力值遠遠小于材料本身的屈服強度，說明該筆筒在盛放如表1所示的物品數量下是非常安全的，而且可以適當減小筆筒的壁厚，節(jié)省材料。

（2）筆筒的結構設計合理，便于拆卸安裝和使用，便于制造加工，既具實用性又具趣味性，有很高的使用價值。