（固体力学专业论文）彩管荫罩的力学模型及热变形分析.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 荫罩是彩色显像管的分光部件，工作中因截获大量电子而发热，热变形将改 变电子束的着屏位置，产生“热漂移”，影响图像品质。 目前以彩色显像管为标志的传统电视机由于其较高的性价比仍占有相当的 市场份额，不少厂家还在努力以较廉价的材料辅以更先进的设计使产品在市场竞 争中取得更大的优势。荫罩作为彩色显像管的重要部件，其材料的选择直接影响 产品的成本和性能。价格较低的材料通常热膨胀系数较大，制成的荫罩“热漂移” 较为显著，因此，对热变形的预测计算要求更高。 本文针对当前荫罩设计中出现的新问题，在详细查阅国内外科技文献的基础 上，提出了荫罩结构的一种非均匀等效力学模型，通过有限元模拟和摄动法对荫 罩热变形进行分析。本文主要工作如下： 1 详细分析了荫罩上槽孔单元的结构特点，提出了一种新的等效方法，将 复杂的多孔薄壳结构等效为无孔薄壳，在保证拉压弹模等效的同时，兼顾槽、桥 两个方向截面抗弯刚度的等效。在此基础上构建了正交各向异性的非均匀薄壳模 型，更真实地反映了荫罩复杂的结构和力学特性。 2 采用a n s y s 对整个彩管进行瞬态的传热分析和对荫罩进行稳态的应力 应变分析。首先，在开机后长达1 0 ，0 0 0 秒的过程中寻找可能使荫罩产生最大热 变形的温度分布，然后，计算该温度场下荫罩的应力应变分布，最后，由荫罩的 热变形导出“热漂移”量。所得结果与生产实际一致。 3 采用摄动分析等方法讨论了荫罩弹模随位置的变化对热变形的影响。通 过对一个变弹性模量的曲梁的热变形摄动分析，阐明了对荫罩进行热变形分析时 应该采用非均匀的等效模型。 本文对荫罩的热变形计算分析是通过对a n s y s 的二次开发加以实现的，具 有较好的通用性，可成为荫罩设计理想的辅助工具。 关键词：荫罩热变形着屏位移有限元摄动法 v 上海大学硬士学位论文 a b s t r a c t s h a d o wm a s lal d n do f e l e c t r o ns i e v em o u n t e di nt h ef r o n to f c r ti nc o l o rt v i si n e v i t a b l yh e a t e db yt h ec a p t u r e de l e c t r o n sa tw o r k t h et h e r m a ld e f o r m a t i o nl e a d s t oad e f l e c t i o no fa ne l e c t r o nb e a mt ot h ep h o s p h o rs c r e e n , w h i c hw i l ls p o i lt h ec o l o r p u r i t y r e c e n t l yt h et r a d i t i o n a lc r t t e l e v i s i o n sw i mt h e i re x c e l l e n tc o s tp e r f o r m a n c e r a t i oa r es t i l li n p o s s e s s i o no far a t h e rl a r g em a r k e ts h a r e m o r e o v e r , s o m e m a n u f a c t u r e r si n s i s t e di nc o m b i n i n gl o w - c o s tm a t e r i a l 、i t l ih i g h - l e v e ld e s i g nt o e n h a n c et h em a r k e tc o m p e t i t i v e n e s so fc r t s h a d o wm a s k , a so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tp a r t so fc r t , d i r e c t l ya f f e c t st h ec o s ta n dp e r f o r m a n c eo fc r t a l t h o u g h t h el o w - c e s tm a t e r i a lu s e df o rs h a d o wm a s kc o u l dc u tt h ep r i c eo f t h ew h o l et u b e , t h i s s o l u t i o ni n e v i t a b l yd e t e r i o r a t e st h ec o l o rp u r i t yo f c r t i no r d e rt oa v o i dt h i ss i t u a t i o n , ah i g h e rr e q u e s ts h o u l db ep u tf o r w a r di np r o c e d u r eo fa n a l y s i sf o rt h et h e r m a l d e f o 吼a t i o no fs h a d o wm a s k i no r d e rt os o l v et h en e wp r o b l e ma b o v e ，ak i n do fi n h o m o g e n e o n se q u i v a l e n t m o d e li sp r e s e n t e di n t h i st h e s i sa f t e ri n v e s t i g a t i o no nt h ep r e v i o u sl i t e r a t u r e s t h e t h e r m a ld e f o r m a t i o no fs h a d o wm a s ki sf u l l ya n a l y z e db yu s eo faf i n i t ee l e m e n t m e t h o da n da na s y m p t o t i cm e t h o d t h em a i nr e s e a r c hi nt h i st h e s i si sg i v e na s f c l l o w s ： 1 b a s e do l lt h ea n a l y s i so fs t r u c t u r a lc h a r a c t e r so fs h a d o wm a s ks l o t s an e w e q u i v a l e n tm e t h o di sg i v e no u tt ot r e a tac o m p l e xm u l t i s l o tm a s k 蠲as h e l lw i t h o u t s l o t s t h ee q u i v a l e n c ef i r s t l yr e q u 心e st h es a m eb e n d i n gs t i f f o e s sa c r o s st h es l o ta n d t h eb r i d g er e s p e c t i v e l y , t h e nt h es a n l ee x t e n s i o n a ls t i f f n e s sb e t w e e nt h em o d e la n dt h e p r o t o t y p e f o l l o w i n gt h a t , a ni m p r o v e de q u i v a l e n ts t r u c t u r a le l a s t i cm o d u l u sw i t h o r t h o g o n a la n i s o t r o p yi sp r o p o s e dt oc o n s t r u c tt h ef i n i t ed e m e n tm o d e lf o r t h em a s l 2 i na n s y s ，at r a n s i e n ta n a l y s i sf o rt h ec o l o rc r tt u b ea n das t e a d y - s t a t e a n a l y s i sf o rt h es h a d o wm a s ka r ep e r f o r m e d t h em o m e n tw h e nt e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o nr e s u l t si nt h em a x i m u mt h e r m a ld e f o r m a t i o ni sf o u n di nt h ep r o c e s so f v l 上海大学硕士学位论文 1 0 0 0 0s e c o n d so p e r a t i o n , a n dt h e nt h es t 懈sa n ds t r a mi sc a l c i l l 砌a lt h i sm o m e n t a tl a s lt h eb e a ml a n d i n gs h i f ti sd e r i v e df r o mt h et h e r m a ld e f o r m a t i o no fs h a d o w m a s lt h es i m u l a t i o n sa r ei ng o o da 争e e m e n tw i t ht h ep r a c t i c e 3 i na d d i t i o n , t h ea s y m p t o t i cm e t h o di su s e dt oc o n f l r mt h ee f f e c t so ft h e m o d u l u sv a r y i n gw i t hl o c a t i o no nt h e r m a ld e f o r m a t i o no fs h a d o wm a s k t h r o u g ha n a s y m p t o t i ca n a l y s i sf o ras i m p l i f i e db e n d i n gb e a mm o d e l ，i ti sd e m o n s t r a t e dt h a t i n h o m o g e n e o u se q u i v a l e n t m o d e ls h o u l db et a k e ni n t oa c c o u n ti nt h e r m a l d e f o r m a t i o na n a l y s i so f s h a d o wm a s k b yu s eo fr e d e v e l o p m e n to fa n s y s ，t h ea n a l y s i so ft h e r m a ld e f o r m a t i o no f s h a d o wm a s ki sp e r f o r m e di nt h i st h e s i s t h ep r o g r a mi sg e n e r a l l ya v m l a b l ea n dm a y b ee f f i c i e n t l yu s e df o rt h e r m a ld e f o r m a t i o nd e s i g no f s h a d o wm a s l k e y w o r d s ：s h a d o wm a s lt h e r m a ld e f o r m a t i o n , b e a ml a n d i n gs h i f t ，f e m ， a s y m p t o t i cm e t h o d 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：主也日期：立垒! 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：三暮z 坞导师签名： 1 以 签名：! 旦! 堕导师签名： n 日期：丝z ：兰：弓 上海大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 彩色显像管的发展历史和现状 电视的诞生，是2 0 世纪人类最伟大的发明之。其中，作为电视机的显示 部件，阴极射线管( c r t ) 是一项由来已久的技术，其历史可以追溯到1 9 世纪 9 0 年代。1 8 9 7 年，德国的物理学家布劳恩发明了种带荧光屏的阴极射线管。 之后，由俄裔美国科学家兹沃雷金开辟了电子电视的时代。尽管认为c r t 显像 管具有深度大、重量沉、电压高这些不利之处，但其宽阔的视角、艳丽的色彩 亮度以及低廉的成本都是其他显示技术目前所不能比拟的，对c r t 显示技术的 持续改进也将会让这项吉老的技术焕发出新的青春。( “i m p r o v e m e n t sm a yw e l l o c c u ri nt h ec r t , r e n e w i n gt h el i f ea n du t i l i t yo ft h i so l dt e c h n o l o g y ” e n c y c l o p e d i ab r i t a n n i c a ) 图1 1 彩色显像管 彩色显像管( 图i 1 ) 与黑白显像管一样都是作为电视图像显示用的一种 阴极射线管，它们的工作机理都是基于电子束器件电一光转换机制，但彩色显 像管还受到选色机制的制约( 图1 2 ) 。目前的彩色显像管利用的都是荫罩式显 像管结构。由五大部件组成：荧光屏( 8 c r e e l l ) 、荫罩( s h a d o wm a s k ) 、屏锥 ( f u n n e l ) 、电子枪( e l e c c r o ng u n ) 、以及管外附件。荫罩作为选色部件，其选 色原理是利用靠近屏面( 约1 厘米处) 的荫罩的掩蔽结构，按照三电子束入射 角度的微小差异，选择激发三基色荧光屏粉组( 红、蓝、绿三色) 来实现选色 的。因此，对荫罩来说，最重要的问题就是保证彩管的色纯。 上海大学硕士学位论文 - 和“l 图1 2 形成红、蓝、绿三种色彩的电子柬 穿过荫罩板上的槽孔轰击荧光屏形成像素点 一个理想的彩色显示系统，我们希望在整个屏面上，电子束均能处处正确 着屏，并且不随时间而变化。但是，对一个现实的彩管而言，制造误差、环境 磁场及荫罩、框架等的热变形，都会造成对理想状态的偏离。电子束光点( 简 称束点) 的中心线不能与其对应的该色荧光粉条的中心线重合，即可造成束点 的欠着屏或者打它色。从宏观上看，打它色即是色纯不良；欠着屏改变了三色 发光面积的比例，造成了白场不均匀( 色差及亮度的不均匀) 。因此，荫罩作为 掩蔽电子束通过的分光部件，如果发生变形将直接影响彩管的色纯和白场均匀 性，降低彩管的色彩显示品质【l 】。 荫罩是c r t 的重要部件，它是安放在彩管中电子枪与荧光屏之间的一块薄 金属栅网板，上面按一定规律排列着十几万个槽孔【2 1 。当彩管处于工作状态时， 荫罩会截获8 0 以上由电子枪发射出的电子，这部分电子的动能大部分转化为 热量，引起薄壳结构的荫罩与框架组件的热膨胀。荫罩受热变形，使得穿过荫 罩孔隙的电子束的着屏位置随之改变( 图1 3 ) ，产生所谓的“热漂移”( 是白 场不匀、色纯不良等问题的主要根源) ，给彩色显像管的色彩对准造成不利的影 响。由于这种对准关系是荫罩式选色的基本工作原理，为了保证良好的色彩品 质，各彩管生产厂家在设计每一款彩管时都会格外注意荫罩的结构尺寸设计， 力求降低荫罩的热变形，减小彩管的着屏偏差。特别是在彩色显像管向高分辨 率显示，以及向大型化、平板化发展时，设计本身使得电子束着屏所允许的偏 移余量减小，这样由荫罩热变形拱起所造成的色纯漂移现象就变得更加严重， 从而对前期的设计和分析提出了更高、更严格的要求。 2 上海大学硕士学位论文 图1 3 荫罩热变形与着屏位移的关系 现今，彩色电视机正朝着平板化方向发展，但是，c r t 电视机凭借其较高 的性价比仍将在一段时间内与平板电视一较高下。目前的传统c r t 彩电普遍采 用了纯平显示器( 使用纯平玻壳和荫罩组件) 【3 h 4 】，解决了以往球面管所存在 的图像失真问题【5 】 们。而且，不少厂家多年来一直在努力以较廉价的材料加上 更先进的设计使得传统彩电在价格竞争上取得更大的优势。但是，将价格较低 的材料( 热膨胀系数较大) 用于生产荫罩，虽然降低了彩管的制造成本，但不 可避免地加剧了“热漂移”问题的程度，因此，在不影响彩管色纯品质的基本 前提下，必须提高彩管的设计水平，以技术弥补降低材料成本所带来的问题。 总之，当今的c r t 彩管行业在面临高分辨率、大型化、低成本控制的发展 趋势下，需要全面衡量设计开发中影响产品性能的各种因素，力求适应市场环 境，适应消费特点，如此才能对开发中的彩管有一个清晰的定位，设计出物美 价廉的产品。在设计中，对各种性能的取舍是必须的，不可能面面俱到地保证 所有的性能指标达到最优，而且这样也是不现实的。但是，不论如何对产品性 能指标进行权衡，在实际投产前，尽可能全面地分析产品，对产品进行模拟和 预测已经成为生产制造厂家普遍采用的方法。所以，本文旨在通过对彩色显像 管和荫罩组件的工作机理的研究，优化荫罩的热变形分析模型，提高分析精度， 以保证在设计阶段对产品性能做到全面优化，从而降低设计开发成本，提高设 计成功率。 3 上海大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 荫罩热变形问题是荫罩式彩色显像管的 本质问题之一，从彩色电视机问世之初，人 们就认识到荫罩热变形的严重性，并持续改 进各种工艺来减轻热变形带来的影响。通常， 可以从两个方面入手解决该问题：一是在实 际生产中进行加工工艺和制造方法的技术改 造，引入新方法、新材料，从生产制造阶段 对荫罩的热拱性能进行改善；二是对荫罩结 构和热拱变形进行计算分析和理论研究，借助于分析数据去把握成品性能，在 设计阶段就对产品进行持续优化，从而提高最终产品的质量。研究荫罩的热变 形是一项系统性研究，下面就针对上述的两个方面分别予以介绍，阐述国内外 在荫罩热变形问题上的研究现状。 1 技术改造 荫罩受热变拱，改变了电子柬出射荫罩槽孔时的方位角，偏离了初始的着 屏位置，从而造成着屏偏差，导致彩色显像管的色纯变坏。随着彩管屏幕的大 型化和平面化，对色纯和白场均匀性提出了更高的要求，各制造厂商采用各种 技术改造来改善荫罩的热变形，抑制热漂移现象。以下列举了目前主要采用的 技术工艺f l 】： 1 ) 采用双金属弹簧片机械补偿的办法，使荫罩组件在膨胀时稍微向荧光 屏位移，保持了电子束和荧光粉点之间良好的配准关系，这种补偿技 术己为各公司广泛采用，成了荫罩式彩管的世界性工业标准。 2 1 黑化屏( 包括在屏的内表面荧光膜上蒸镀黑铝，或喷涂石墨) 提高屏 对热的吸收效率，使屏更多的吸收荫罩的辐射热。 3 ) 使用因瓦( i n v a r ，又称殷钢) 作为生产荫罩的材质，它是一种低膨 胀的铁一镍合金( 含n i3 6 ) ，但殷钢荫罩成本要比一般荫罩高7 1 0 倍。 4 ) 涂敷电子反射保护膜，又称“抗变拱荫罩”( a n t i d o m i n gm a s k ) 或 4 上海大学硕士学位论文 a d m 技术。 5 ) 预应力荫罩( p r e - s t r e s s e dm a s k ，简称p s m ) 与充电维持性荫罩( c h a r g e r e t a i n i n gm a s k ，简称c r m ) 。 以上是从生产工艺方面对荫罩热变形进行改善；此外，在设计开发阶段， 也同样可以对荫罩的热变形进行前期的预测和分析，以及在此基础上的管型优 化设计，最终提高成品彩管的色彩品质。总之，荫罩热变形所引起的色彩漂移 ( 或着屏偏差) 问题，是一个综合性问题，必须从材料选用、结构设计和工艺 加工等各个方面系统地分析，从全局上采取措施予以综合处理。一切应从实际 出发，根据该彩管管型的市场定位来确定材料、结构和工艺，并非一定要用最 高级的材料( 往往也是最昂贵的材料) 、最复杂的设计、最先进的工艺，一切应 以适度为准。 例如：汤姆逊一r c a 的7 3 厘米( 2 9 英寸) v h p 管，属于低成本管，但其 性能并不低，性价比相当高，得到了市场的青睐【l 】。其荫罩为普通a k 材，并 未采用抗变拱的涂层，但此管型并未发现有热漂移所造成的色纯不良现象。这 是因为生产厂家在设计阶段就运用了数值模拟的方法，在动态的情况下，使用 计算机进行建模分析，在保证必须的亮度、均匀性、着屏余量等性能指标的前 提下，对于荧光粉条宽度、荫罩曲率等进行了优化设计。 对产品进行设计阶段的分析预测和参数优化正是目前日益广泛应用于工业 生产与设计中的c a e 技术的优势所在，而这也正是本文所关心的主题利用 设计阶段的计算机辅助工程( c a e ) 方法，对荫罩的热变形及着屏位移进行建 模分析和预测，在投产前就对该管型的基本性能有充分的认识，并及时进行改 进和优化，以此控制生产成本，提高产品质量【7 】 2 理论研究 彩色显像管的荫罩部件，在冲压成形前是一张平整的网板( 图1 4 ) ，厚度 在o 1 8 o 2 5 m m 之间；冲压后，罩面呈浅壳形，采用点焊方式与框架连接。 荫罩面上的槽孔采用光刻腐蚀工艺形成，孔数多达十几万个，并且，在罩面的 不同部位，槽孔不仅大小不同，而且沿厚度方向也不相同，即孔边有一定的坡 度。可以说，荫罩一般是“非均匀的三维的网壳结构”。 5 上海大学顾士学位论文 图1 42 1 英寸和2 9 英寸荫罩( 成形前) 由此可见，直接对真实的荫罩结构进行整体力学分析是困难的。目前被广 泛采用的方法是将荫罩结构离散化，继而进行有限元分析。9 0 年代以来，伴随 着计算机科学和技术的快速发展，有限单元法( f e m ) 借助处理器强大的计算 能力，已成为计算机辅助工程和数值仿真的重要组成部分。为了真实反映荫罩 的热变形，对整个彩管进行较为精细的建模已成为可能，并且已经被应用于实 际的工程分析中f 8 h 1 们。 现有的研究【8 h 1 6 1 都是先把荫罩等效成均匀的正交异性板壳，再用有限元法 进行模拟。等效原则是：二者在水平方向和竖直方向的拉压刚度对应相等，而 且在整个罩面上处处相同。文 8 p e l o 虽然考虑了槽孔尺寸对拉压刚度的影响， 但都没有考虑拉压刚度在荫罩的不同部位应有的区别，也没有考虑弯曲刚度是 否等效。我们注意到，由于罩面本身有一定的初曲率，受热后除了发生面内的 变形还伴随挠度的改变，因此，在等效化时应该考虑弯曲刚度的等效性。特别 是，目前彩电尺寸普遍比以往为大，荫罩槽孔的变化范围比小屏幕【8 卜 峒彩管上 的扩大了，用以保证其各处的电子束透过率均达到一定的水平。因此，在对大 屏幕彩管上的荫罩进行等效处理时，应该对不同部位的不同尺寸的槽孔加以区 别。 研究荫罩热变形关系到荫罩、框架组件的温度分布、变形以及着屏位移的 计算等方面的问题，涉及面宽且需复杂的计算机辅助手段。研究荫罩在工作状 态下的温度分布，分析计算由于荫罩热变形而引起的电子柬着屏偏移量，从材 料和几何设计等方面研究有效控制电子数着屏偏移的荫罩结构，是研发新型大 屏幕高清晰度c r t 的关键技术之_ 【。国外各厂商都将其核心技术作为自己的 专利，公开的资料很缺乏，国内则更是少有人问津。9 0 年代初，文【1 8 】在不依 赖实验的条件下，用纯计算的方法( 有限元伽辽金方法) 确定了荫罩、框架组 6 上海大学硕士学位论文 件的温度分布、热变形和电子束着屏位移。此时，彩管制造业主要集中在日本 和韩国，对荫罩结构和热变形进行的研究也主要集中在这些企业的研究机构内， 从荫罩的本构关系到有限元分析，日韩同行都处于世界前列；直到最近几年， 西安交通大学与咸阳彩虹进行技术合作，采用与国外类似的研究方法，利用有 限元分析软件a n s y s 对1 5 英寸f s 型荫罩建模，建模中细化了连接部分的组 件，最后进行了全面的热变形分析和着屏偏差预测【1 0 】。 1 3 本文研究方法 本文根据荫罩在不同部位其孔形大小和腐蚀加工的深度不同，建立相应的 等效代表单元，在保证拉压弹模等效的同时，兼顾槽、桥两个方向截面抗弯刚 度的等效。以此为基础，对荫罩热变形进行了有限元模拟，讨论了荫罩槽孔尺 寸与热变形的关系，并对热变形引起的电子束着屏位移进行预测。 主要数值计算工作以通用有限元分析软件a n s y s 为平台。热变形分析涉 及热一结构耦合过程，本文采用了间接法顺序耦合分析，并在热辐射部分的计 算中使用了r a d i o s i t y 求解器。整个建模、求解以及后处理部分都采用了 a p d l 语言编写，主要使用的分析单元有：s h e l l5 7 、l i n k 3 3 、s u r f l 5 2 、s h e l l9 3 。 为了说明荫罩槽孔尺寸所带来的等效弹模变化对荫罩热变形的影响，本文 对荫罩进行适当简化，提出了一种曲梁模型来研究弹模变化对热膨胀引起的挠 度变化的影响，并利用摄动法和差分法给出了简化曲梁模型挠度变化的数值解 和曲线，从理论上说明了采用非均质模型的合理性和必要性。 1 4 本文研究目的、内容及来源 在考察国内彩管市场现状之后，了解到i n v a r 合金被用于生产荫罩，正是 由于其较低的热膨胀系剡1 9 l 。然而，在目前彩管大型化、平板化的发展趋势下， 各厂家追求降低生产成本，转而采用价格较低但热膨胀系数较大的a k 材生产 荫罩，热漂移现象加剧。但配合技术改造和设计优化，仍然可以在不影响彩管 主要设计指标的情况下改善热拱问题，保证色彩品质。本文旨在通过生产前对 荫罩热变形的分析和预测，量化彩管着屏位移，辅助优化设计，从设计方面提 高荫罩开发成功率。 7 上海大学硕士学位论文 针对以往荫罩热变形分析基于均质模型，未考虑弹性模量变化对变形的影 响，进一步提出采用变弹模非均质模型以及抗弯刚度等效的方法进行数值分析， 在此基础上对2 5 英寸彩管建模，求解荫罩热变形大小，并给出了相应的着屏位 移。最后根据数值结果和理论分析，给出了在热漂移问题上优化荫罩设计的一 些结论。 本文主要做了以下几方面的工作： 1 ) 在对荫罩代表单元的弹模进行等效时，不同于以往只在整个荫罩面内 等效一个拉压弹模作为模型参数，而是在荫罩面上不同位置选取典型 单元，在保证拉压弹模等效的同时，兼顾槽、桥两个方向截面抗弯刚 度的等效，建立相应的等效代表单元，计算出该处的等效弹模并将之 赋予该处的分析单元，使整个荫罩面上的不同单元拥有不同的弹模。 2 ) 在a n s y s 中，建立包括玻壳、荫罩、框架、屏蔽罩、屏锥在内的整 个彩管系统作为分析模型。其中，荫罩采用非均质等效薄壳模型，不 同的单元被赋予了不同的等效参数，以体现荫罩非均质的本构关系。 3 ) 采用间接法直接耦合对荫罩进行了热一结构耦合分析。在热分析中， 考虑整个彩管系统的传热情况，计算开机1 0 ，0 0 0 秒中各组件的温度场 分布。 4 ) 在荫罩结构分析中，导入步骤1 ) 中所得到的等效弹模，以开机6 0 0 秒 时( 荫罩热变形最大) 的荫罩温度场作为热载荷，求解此刻荫罩的变 形位移和应力应变。 5 ) 基于荫罩热变形，给出着屏位移的预测值，以此作为优化设计的基本 判定数据。 6 ) 为了进一步说明在荫罩各处等效弹模的变化对热变形的影响，将荫罩 视为非均质模型，进行适当的简化之后，提出一个简化曲梁模型对热 变形引起的挠度变化进行分析。采用量纲分析、摄动分析和差分法来 验证弹模变化对荫罩热变形带来的影响。 本项研究工作为企业横向课题，得到了上海市重点学科建设项目资助 ( n o y 0 1 3 0 ) 和烟台正海电子网板有限公司资助( y m c - t e c h 0 5 0 1 ) 。 8 上海大学硕士学位论文 第2 章荫罩的传热及力学分析方法 彩色显像管是一个由众多组件构成的显示系统，荫罩作为其选色部件，其 结构和工作状态直接影响着彩管的色纯性能。因此，抑制荫罩热变形，对荫罩 热变形进行深入分析、并尽可能精确地预测热变形造成的着屏偏移是彩管设计 和生产中重要且必要的工作。 一般说来，荫罩热变形是一个热与应力耦合作用的过程。荫罩接受电子束 轰击所产生的热量，却因框架的约束而不能自由膨胀，在荫罩内部产生热应力， 从而造成了荫罩的拱起变形，反过来，荫罩形状和尺寸的改变会影响热的传递。 但是，对于一个小的时间间隔、或者小的变形，可以把结构的传热分析和力学 分析分开处理。因此，我们把荫罩的热变形计算分成两个步骤：一是对彩管进 行传热分析，求得荫罩组件的温度分布；二是基于传热分析所得温度场，在结 构分析中求解荫罩的热变形。而在传热过程中，荫罩作为彩管系统的部件之一， 不可避免的受到其他组件的影响。所以，这里我们将荫罩放入整个彩色显像管 中加以研究，对彩管系统进行建模，并求解其所有部件的温度场。 由于彩管本身是一个封闭的真空系统，在真实的工况下，测量彩管内荫罩 的温度分布是很困难的。最初鼬m 【8 】等通过建立简化的轴对称模型来估计荫罩 周围的温度，或者通过测量的方法【冽得到温度数据。目前主要有两种方法来获 取荫罩表面的温度分布：一是采用非接触式测量的实验方法【”1 ；二是利用有限 元法直接模拟真实工况下的彩管传热过程，求得各组件的温度场【8 h 1 0 1 。由于数 值模拟方法不依赖现场，不需要特定的实验设备，已经被广泛采用，本文也使 用有限元法对荫罩的温度分布进行数值求解。 本章主要介绍彩管的传热过程，传热中使用的控制方程、传热边界条件， 以及热分析中用到的基本控制参数；另外，针 对荫罩的结构特点，阐述了荫罩的本构关系、 荫罩热变形的分析方法、薄壳结构的基本力学 性能及其在荫罩上的应用。下面就分别针对这 两个方面进行具体的阐述。 9 上海大学硕士学位论文 2 1 彩色显像管的基本构成 由于传热分析中将对整个彩管系统的主要机构组件建模，这里有必要说明 一下彩色显像管的基本构成，并了解与其显像过程相关的工作机理。荫罩式彩 色显像管由五大部件组成，包括玻屏、荫罩组件、屏锥、电子枪和管外附件。 1 ) 荧光屏：完成彩管电一光转换的部件，即在屏玻璃的内表面上，涂覆 有一定结构的三基色荧光粉。为提高彩管的对比度，有的管型采用着 色屏，有的管型涂有石墨黑底，有的管型涂以有机膜，并蒸铝。 2 ) 荫罩：彩管的选色部件。荫罩组件又由荫罩栅网、框架、屏蔽罩、弹 簧片等组成。 3 ) 屏锥：包括管颈，并与屏和芯柱一起构成管壳。 4 ) 电子枪：主要作用是发射电子并聚焦成束。 5 ) 管外附件：主要包括偏转线圈组件及磁性调整组件。偏转线圈的作用 是产生一个能使三电子束在整个荫罩面上自动会聚并偏转扫描的自会 聚偏转磁场【i 】。 玻屏、屏锥、芯柱构成了管壳，形成了一个电子与电磁场相互作用的真空 空间。在真空腔内，荫罩组件通过四角支撑系统与玻壳固接在一起，荫罩网则 采用点焊的方式与框架相连接。 2 2 彩管传热原理及分析方法 在彩色显像管中，作为选色部件的荫罩通过有选择地遮挡射向屏幕的电子 束，实现了彩色对准【2 ”，是影响彩管色纯性能的重要部件。因此，自然要求对 荫罩组件进行精确的设计，即使对热膨胀系数较小的因瓦( i n v a r ) 荫罩来说， 在设计前充分地了解其热变形和着屏位移，对于设计人员来说也是非常必要的。 分析荫罩的热变形首先须求得荫罩及其他组件的温度分布。彩管在工作一 段时间后，温度会保持基本恒定，此时可以认为达到了稳态温度分布，是传热 后所达到的一种动态热平衡。而升温期间每一时刻的温度场都看作是一个准静 态过程的温度分布，通过数值方法求解热平衡方程就可以得到每一时刻的温度 分布。彩管系统的传热包括了三种方式( 图2 1 ) ：传导、对流和热辐射。由于 1 0 上海大学硕士学位论文 彩管的内部是一个真空腔，其中各部件表面之间通过热辐射交换热量。彩管的 外表面( 即玻屏和屏锥的外表面) 同时存在对流和热辐射换热。此外，支架、 销钉、焊点连接的各构件之间以及每个部件的不同部分之间存在传导换热。 图2 1 彩管系统的传热方式 荫罩本身是多孔薄壳结构，在分析中可以用一个等效的无孔连续薄壳结构 代替原来的多孔结构，但必须先获得材料等效的力学特性参数和导热特性参数， 以确保分析结果的等效性。这里只是简单介绍一下等效的作用，在下一章我们 将具体阐述荫罩力学和传热参数的等效。 1 热载荷及其边界条件 1 1 基本假设 在彩管开机期间，电子枪发射出的电子束，8 0 以上被荫罩所截获，其余 的电子穿过荫罩上的槽孔打在玻屏背面的荧光粉上。电子束与荫罩和玻屏发生 碰撞，其动能大部分转化为热量，这就是整个彩管的热流来源。为估算该热量 输入的大小，在进行彩管传热分析时，采用文献【1 0 】 1 1 o f i 的方法，先作如下 假设： 1 1 室温为2 5 2 ) 对流热交换只发生在彩色显像管的外表面，即玻屏和屏锥的外表面。 3 ) 轰击荧光屏和荫罩表面的电子束的线速度是一个与时间和位置无关的 常量。 4 ) 电子束的运动轨迹是起始于固定偏转器件中心的一条直线段。 上海大学硕士学位论文 5 ) 系统的热源来自于电子束轰击荫罩及玻壳内表面所产生的热流，热流 密度的计算公式为n o j ： 口砷。= 亡h ) h ) ( - 一剖 ( 2 1 ) 删= 亡h h ) ( 1 _ ) ( 彘 ( 2 2 ) 其中：p 为电子枪的输出功率，4 为槽孔的面积，e h 为水平回扫时间与行扫 描时间的比率，e 为垂直回扫时间与全屏扫描的时间比率。v 1 2 热辐射 面与面之间的辐射热通量由施蒂芬一玻斯曼定律恤1 得出，其理论公式如下： q = o - s a t f f ( t 1 4 一巧) ，其中，盯为施蒂芬一玻斯曼常数，占为表面的辐射率，4 为表面面积，气为面与面之间的形状系数，巧、乃分别为两个面的表面温度。 我们通过定义各个面的辐射率，将辐射边界条件施加在各个面上，以模拟显像 管各个构件间的热辐射。 1 3 热传导 传导引起的热通量由传导的傅立叶定律。2 1 决定，理论公式如下： q = 一k a t a n ，其中k 为方向的导热系数，这里需要定义显像管各个构件的 导热系数以模拟显像管各个构件之间的热传导。 1 4 热对流 对流引起的热通量由冷却牛顿准则删得出，理论公式如下： q = 缸( c 一磊) ，其中，为对流表面的换热系数，正为表面温度，为介质 温度。这里通过定义表面的对流换热系数，将热对流施加在玻屏和锥体的外表 面，以模拟显像管与空气的对流换热。 2 控制方程 传热过程的控制方程为： 1 2 上海大学硕士学位论文 p c 。d t + v ( k v t ) ：色 d r ( 2 3 ) 其中：p 是密度，c 是比热，t 是温度，f 是时间，k 是热传导系数，圣是 单位面积或者单位体积上的热生成率，本问题为零。热边界条件为： 一k a t o n = 圣，瓯 ( 2 4 ) 一k a t o n = | i l ( c r o ) ， ( 2 5 ) - k a t o n = 占e 2 ( 瓦4 一刁) ，疋 ( 2 6 ) 瓯是热流输入区域，包括荫罩和玻壳内侧表面；s 是对流表面，这里指玻 壳外表面；s 。是热辐射表面，指整个彩管的所有表面。 3 热分析的有限单元法 a n s y s 热分析基于能量守恒原理的热平衡方程( 式2 3 ) ，用有限元法计 算各个结点的温度，并导出其他热物理参数。a n s y s 热分析包括热传导、热 对流及热辐射三种热传递方式。此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻 等问题。 热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由 于温度梯度而引起的内能交换。热对流是指固体的表面和它接触的流体之间， 由于温差的存在引起的热量的交换。热辐射指物体发射电磁能，并被其他物体 吸收转变为热量交换的过程。 如果系统的净热流率为0 ，即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等 于流出系统的热量：g 斑入+ g 生成一出= 0 ，则系统处于热稳态( 即热平衡) 。在 稳态热分析中，任一结点的温度不随时间变化。 瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程，在这个过程中系统的温度、 热流率、热边界条件以及系统内能随时间都有明显的变化。彩管在工作状态下， 荫罩和玻屏内侧持续受到电子束轰击，电子动能转化为热量输入彩管系统。同 时，彩管又通过传导、对流、热辐射进行换热，是一个动态升温并最终达到热 平衡的过程。本文针对这一过程采用瞬态传热分析，求得彩管各组件温度分布。 a n s y s 热分析的边界条件和初始条件共可分为7 种：温度、热流率、热 1 3 上海大学硕士学位论文 流密度、对流、辐射、绝热、生成热。热分析涉及到的单元大约有4 0 种，其中 纯粹用于热分析的有1 4 种( 如表i ) 。本文采用了s h e u 5 7 壳单元和l i n k 3 3 连接 单元来构建彩管组件的各个壳面和组件间的连接元件。 表1a n s y s 中的热分析单元嘲 4 热分析步骤 在a n s y s 中，将上述的输入热流、导热系数、对流系数、辐射率作为传 熟参数施加到模型相应的传热部位，形成热的边界条件，然后对整个彩管模型 在开机后一段时间内的传热过程进行数值模拟，得到彩管各个组件的温度场分 布。 在对彩色显像管的传热方式进行研究之后，我们知道电子束与荫罩和玻壳 内表面碰撞所产生的热量，在显像管内部通过传导和辐射的方式进行换热，在 显像管外表面通过与空气的对流和辐射进行换热，逐渐达到动态的热平衡，一 段时间后可以认为彩管各组件的温度基本恒定。本文对整个彩管建模，并在各 1 4 上海大学硕士学位论文 组件上施加不同的换热参数，然后进行数值求解，得到一个1 0 ，0 0 0 秒的瞬态热 分析结果( 认为1 0 ，0 0 0 秒后彩管进入热平衡稳态) 。然后，根据各组件的温度 变化曲线，选择荫罩与其他组件温差最大的时刻( 荫罩热变形最大的时间点) ， 提取该时刻荫罩表面的温度场作为热变形分析的载荷输入，以此计算荫罩的最 大热变形。 2 3 荫罩的本构关系及分析方法 一般来说，荫罩是一张非均匀的网状薄壳，结构复杂，难以直接对其进行 分析。但是，在等效处理之后可以用一个等效的无孔连续薄壳结构来代替原有 的多孔结构【8 h 1 2 1 。前提是必须先获得等效的力学参数，以确保分析结果的等效 性。在此基础上就可以对等效后的荫罩进行建模和分析，在宏观尺度上( 典型 单元尺寸上) 可以认为等效模型反映了该尺度上荫罩的平均力学性能，但在小 于槽孔尺寸的细节上，则无法给出精确的应力应变变化规律( 即无法给出具体 在槽孔单元尺度内的变化细节) 。典型单元尺寸大约在l m m 左右，在该尺度上 平均化的数据基本反映荫罩整体的热变形的规律，满足工业分析对数据精度的 要求。 为了充分认识荫罩热变形，下面将从荫罩的本构关系，分析方法和力学特 性这三个方面对问题加以说明。 1 荫罩的本构关系 如前所述，荫罩是一张位于玻屏和电子枪之间的薄壳，上面被腐蚀了十数 万个槽孔，并且，在荫罩面上的不同位置槽孔大小和腐蚀加工深度不同。荫罩 本身复杂的三维结构使其在各个方向上的性质表现不同，这里按一般情况认为 等效后的无孔荫罩模型属于正交各向异性的薄壳结构。但由于其复杂的外形和 边界条件，仍然难以直接采用解析的方法对荫罩变形进行分析。另外，荫罩热 变形问题涉及热一结构耦合分析，且包括热传导、热对流和热辐射三种热的边 界条件，分析过程相当复杂。所以本文采用目前工程中广泛使用的有限元法对 整个彩管模型进行数值模拟，得到彩管各组件的温度分布，并进一步分析荫罩 热变形大小。 2 荫罩热变形分析的有限单元法 上海大学硕士学位论文 在科学技术领域内，对于许多力学问题和物理问题，已经得到了他们应遵 循的基本方程( 常微分方程和偏微分方程) 和相应的定解条件。但能用解析方 法求出精确解的只是少数方程性质比较简单、且几何形状相当规则的问题。对 于大多数问题来说，由于方程的某些非线性性质，或由于求解区域的几何形状 比较复杂，则不能得到解析的答案。这类问题的解决通常有两种途径。一是引 入简化假设，将方程和几何边界简化为能够处理的情况，从而得到问题在简化 状态下的解答。另一种方法就是目前广泛应用的有限元数值分析方法 2 q - 4 2 m 。 凭借计算机强大的运算能力，利用有限元法计算荫罩热变形，不但可以给 出可靠的数值分析结果以帮助优化设计，而且大大缩短了荫罩开发周期。 对荫罩热变形进行有限元分析，还要注意由于受到框架的约束，荫罩受热 不能发生自由膨胀，导致荫罩内部产生热应力，进而发生结构变形。因此，荫 罩热变形涉及热和结构的耦合。热一结构耦合问题是结构分析中通常遇到的一 类耦合分析问题。进行结构分析时需要考虑结构温度场的分布不均而引起热应 力，或者结构部件在高温环境中工作，材料受到温度的影响所发生的性能改变。 热一结构分析是指求解温度场对结构中应力、应变和位移等物理量影响的 分析类型。在a n s y s 中通常可以用两种方法进行耦合分析，一种是顺序耦合 方法，另一种是直接耦合方法。顺序耦合方法包括两个或多个按照一定顺序排 列执行的分析。通过将前一个分析的结果作为载荷施加到下一个分析中的方式 进行耦合。本文所使用的耦合分析就是属于顺序耦会，热分析中得到的结点温 度作为体载荷施加到随后的结构分析中去。直接耦合方法只包含一个分析，它 使用包含多场自由度的耦合单元。通过计算包含所需物