新型卫生筷子盒取筷机构与紫外线消毒装置设计说明书

1、湘潭大学兴湘学院毕业设计说明书 题 目： 新型卫生筷子盒取筷机构与紫外线消毒装置设计专 业： 机械设计制造及自动化学 号： 2010963138 姓 名： 赵 煜 指导教师： 唐新姿 完成日期： 2014年5月27 日 目录第一章 引言11.1 课题背景与意义11.2 国内外研究现状11.3 本课题研究内容11.4 本章小结2第二章 筷子盒总体外形结构设计32.1 总体方案32.2 盒体设计32.3 盒盖设计42.4 调节板设计42.5 整体展示52.6 本章小结6第三章 筷子盒取筷机构设计73.1 取筷方案设计73.2 筷槽设计93.3 滑动推块设计93.4 传动设计103.5本章小结12第

2、四章 紫外线消毒机构设计134.1 紫外线消毒原理134.2 紫外线灯管选型134.3 灯管布置设计154.4 本章小结16第五章 筷子盒底座部分设计175.1 底座设计175.2 强度校核185.3 本章小结20第六章 总结216.1设计结论216.2自我总结21致谢23参考文献24文献翻译25附录（工程图）53I新型卫生筷子盒出筷机构与紫外线消毒装置设计摘要：筷子是最为常用的用餐工具，需要重点解决卫生问题。这是一种自动消毒取筷机，结构简单，具有自动消毒、防交替感染一体化特性、高效便捷的取筷特性，解决普通存放筷子的器具由于用餐者将手直接触摸筷子，造成用餐者交替感染，或因存放不当给消毒后的筷子

3、带来传染疾病的媒体。同时真正实现了节能与环保。出筷机构设计以手摇方式推动筷子，新型的传动设计能在实际工作中适应各种形状，规格的筷子，并确保每次输出一双筷子的定量要求。紫外线选型安装布置科学合理，达到消毒杀菌目的。关键词：卫生筷子；紫外线消毒；取筷 The new box of health chopsticks about take out chopsticks and ultraviolet disinfection device designAbstract：Chopsticks are the most commonly used eating tools, need to focus

4、on health issues. This is a kind of automatic disinfection chopsticks machine, simple structure, automatic integration of disinfection, prevent alternate infection characteristics, efficient and convenient to take chopsticks, solve common hold chopsticks instruments due to diners will hand directly

5、touch the chopsticks, cause alternate infection, diner or improperly stored after disinfection chopsticks to bring media of an infectious disease. At the same time realize the energy saving and environmental protection. Chopsticks mechanism design to push hand way of chopsticks, a new type of transm

6、ission design can adapt to all kinds of shapes, in the practical work of chopsticks, and to ensure that every time the output of a pair of chopsticks quantitative requirements. Selection scientific and reasonable installation, ultraviolet disinfection sterilization.Keywords: hygienic convenient chop

7、sticks；ultraviolet disinfection；take out chopsticks II第一章 引言1.1 课题背景与意义随着社会不断发展和消费水平的不断提高，社会对饮食的安全卫生提出了更高的要求，特别由于近年来，非典、禽流感，乙肝以及如今甲型H4N1流感病菌的出现，对餐饮使用器具消毒杀菌的设备提出了更高要求。而筷子是最为常用的用餐工具，需要重点解决卫生问题。但是市场上大量使用的一次性筷子质量参次不齐，很多达不到卫生要求，令消费者大为堪忧。目前市面上的此类筷子消毒装置都只解决了一方面的要求。比如消毒柜，只是消毒，对于取筷子时还是不方便，也不能完全杀灭筷子上的细菌，取用筷子时

8、容易出现二次污染。而一般的筷子盒，既没有消毒功能，堆积放置，密封性不好，更容易交叉污染。1.2 国内外研究现状 1.徐继海.消毒筷子盒.专利公开号 CN 101524237A徐继海（2009）设计的消毒筷子盒，包括盒体，盒体上端带有盒盖，盒体左右侧壁的内表面固定连接有倒“八”字型置筷板，倒“八”字型置筷板下方盒体的前、后侧壁上连接有转动轴，转动轴与盒体的前、后侧壁相对旋转连接，转动轴上向上开有凹槽，凹槽与倒“八”字型置筷板的下开口相对应，倒“八”字型置筷板与转动轴紧密配合，转动轴上固定连接有驱动机构。驱动机构使转动轴转动，从而带着滑落在凹槽内的筷子运动，最终从下方取出。2.赖卫平.臭氧紫外线餐

9、饮具消毒柜的设计.家用电器科技赖卫平（1997）设计的新型高臭氧紫外线杀毒灯利用臭氧的强氧化作用能有效地杀灭多种细菌、病毒及微生物。其杀菌能力与过氧乙酸相当 , 高干高锰酸钾、甲醛等的消毒效果。紫外线和臭氧的共同作用, 使常温消毒扩大了灭菌范围, 强化了消毒效果。1.3 本课题研究内容本课题研究的是通过一种自动消毒取筷机，具有自动消毒、防交替感染一体化特性、高效便捷的取筷特性以及语音提示特性等功能，解决普通存放筷子的器具由于用餐者将手直接触摸筷子，自行选择，及不卫生，有传染病的患者自行选择拿取，给消毒后的筷子带来传染疾病的媒体，造成用餐者交替感染的问题。这样一种取用便捷、卫生安全、保护生态、节

10、约消费等优点集一身的新型卫生筷子盒，具有很好的理论意义和工程应用价值。贴近现实生活，易于餐饮业与家庭用餐的推广应用。 课题主要针对对新型卫生筷子盒进行取筷机构与紫外线消毒装置设计。首先取筷子机构设计部分主要内容为：根据产品功能要求，对取筷子机构原理进行方案分析与选择，进行取筷子机构结构设计，包括各个组成零件的形状、几何尺寸与强度计算与校核。设计出的机构能适应多种规格的筷子，实际运行操作简单可靠，一次能准确取出一双筷子。紫外线消毒装置设计的主要研究内容为：对紫外线消毒原理进行方案分析，确定消毒装置各组成部分的结构形式和尺寸。能在较短时间内彻底杀灭筷子上残留的细菌。 最终卫生筷子盒能定期消毒清洗，

11、满足餐饮用具卫生要求，适合与食堂、餐馆等大型用餐场合，也适合与家庭小型用餐场合。针对目前市场现有产品存在诸多问题，新型卫生筷子盒要求能解决现存的问题，通过合理划设计，实现避免大量电消耗、取筷子时筷子不直接与外界接触、一次准确出一双筷子等功能；实现结构简单，避免造价成本昂贵；各个模块方便拆解，实现批量生产，易于推广。1.4 本章小结 新型筷子盒其主要特点有： 1.使用重复利用的筷子，减少对一次性筷子的使用，节约木材，保护森林；2.在公共用餐场所，避免了取筷子出现的相互交叉感染；3.密封的容器，有效保护筷子存放时的落尘污染；4.集中存放，食者取筷，减少包装筷子时出现的二次污染；5.结构简单，清洗维

12、护方便，节能省电，成本较低。一种这样的产品是很有研究设计价值的，具有很高的实际需求。47 第二章 筷子盒总体外形结构设计 第三章 筷子盒取筷机构设计3.1 取筷方案设计3.2 筷槽设计1.思路：1）筷槽设计成与底座一体结构； 2）筷槽侧面留有可供连接滑块运动的开口； 3）筷槽长宽高度需略大于筷子尺寸，能容纳一双筷子； 4）筷槽设计时应该避免筷子重叠的情况；2.设计图：图 3.3 筷槽（单位：mm）3. 设计说明： 筷槽设计长270mm，比筷子盒大10mm，用于出现安置筷子盒不精确时，盒体底下开口被挡住，造成筷子无法落入筷槽。筷槽左壁开一条长80mm，宽4mm的口，可通过尺寸3.6mm的螺栓，连

13、接筷槽内放置的滑块使用。中间留有一段隔板，分割两支筷子，避免重叠。筷槽中为滑块开有两条凹槽，卡住滑块，让其稳定平滑的在筷槽内运动。3.3 滑动推块设计1. 思路：1）材料选择耐磨； 2）设计时应减少底面摩擦； 3）能准确推出一双筷子。2.设计图：图 3.4 滑动推块（单位：mm）3. 设计说明： 滑动推块尺寸较小，宽26mm，高12.1mm，底部有0.5mm的突起，卡住筷槽里面设计的凹槽内，一是使得底部高于筷槽表面，只有两侧接触，减小摩擦阻力，二有利于防止滑动推块运动时振动。上部设有圆弧面，可以往前推动时将上面放置筷子往上顶开，顺利向前运动。中间有一个槽，是可以将筷子前端包裹住，不让筷子翘起，

14、或者偏离滑动推块中心位置，造成筷子卡住，不能成功推出。滑动推块左侧开有M3.6的螺纹孔，用于与连杆连接。3.4 传动设计1. 转轮设计1）设计图：图 3.5 转轮（单位：mm）2） 设计说明： 转轮中心为花键连接设计，从而能使手摇杆带动转轮转动。转轮厚度为12mm，预留2mm为装配手摇杆定位用的挡圈使用。转轮一侧有突出的2段圆柱体结构，用来安装连杆，下部直径为6mm，大于连杆上的开孔，起定位连杆作用。上部与连杆配合，直径为4mm。2. 连杆设计1）设计图：图 3.6 连杆（单位：mm）2） 设计说明： 连杆厚度选取3mm，两端开有直径4mm的通孔，以用于连接螺栓。两孔中心距100mm的连杆适合

15、筷子长度204mm至218mm时搭配使用，中心距80mm的适合筷子长度在218mm至238mm的筷子。中心距70mm的适合筷子长度224至248mm时搭配使用。可将筷子推出盒体20mm至40mm距离，以足够方便人们取用。推出距离=初始位置（14mm至44mm）+滑块行程（42mm）+筷子长-筷槽长（270mm）且满足：筷子长+初始位置盒体长（262mm）3.手摇杆设计1）设计图：图3.7 手摇杆（单位：mm）2） 设计说明： 手摇杆设计为花键连接转轮，然后用螺栓配合挡圈将转轮固定与手摇杆一端，手柄位置设计长100mm，方便握持，然后突出的一段圆柱端是卡在底座右壁外的，限制摇杆自由度。3.5本章

16、小结 本章对取筷机构设计进过多次研究修改，采用了人工手摇式的方法进行设计，筷槽与底座和为一体，减少了零件数量，推块的设计也较为科学合理，针对筷子不同型号长度的需求，调整连杆的长度即可实现。总体基本满足设计初衷，细节方面可能稍有不足。第四章 紫外线消毒机构设计4.1 紫外线消毒原理 传统的杀菌方法一般是利用加热、加药等手段，但这些处理方法所花时间长，可能对处理对象产生不利的变化，对环境也会产生二次污染。用照射紫外线进行杀菌可完全避免以上问题。波长200290nm的紫外线能穿透细菌、病毒的细胞膜，给核酸（DNA）以损伤，使细胞失去繁殖能力，达到快速杀菌的效果。适合玻璃塑料等低耐热食具的消毒，能迅速

17、杀灭大肠杆菌。 紫外线消毒灯，就是用紫外线杀灭包括细菌繁殖体、芽胞、分支杆菌、冠状病毒、真菌、立克次体和衣原体等，凡被上述病毒污染的物体表面、水和空气，均可采用紫外线消毒。特点有1.仅需短时间（秒单位）照射，就能起到杀菌目的；2.连续/批处理方式选择；3.无需加热、药液等处理；4.简单、环保无二次污染。4.2 紫外线灯管选型1.灯管类型1）无极灯。无极灯的身形本身就比较小，我们正好可以利用紫外灯管这一小巧的特点来制作无极灯，在通电之后，无极灯会通过电磁辐射的方式来启动紫外灯管，实现灯具的开关，使用紫外灯管制作的无极灯，使用寿命比较长，往往可以达到6000小时以上。2）金属卤化物灯。为了能够增强

18、金属卤化物灯的用途，实现进一步的调整好灯具的输出光谱，我们在金属卤化物灯的内部设置紫外灯管，并填充一点汞在里面，这样就会使得金属卤化灯的光谱分布区域完备，在通电之后能够增强紫外区的辐射能量，从而使得金属卤化物灯具有更好的照明效果。3）汞蒸气压灯。紫外灯管被适应得最多的灯具种类还是汞蒸气压灯，这种灯具往往有被人们分为三种，即高压汞灯、中压汞灯和低压汞灯。一般的紫外扥管都是使用的是石英来制成的，使用石英来制成的灯管往往具有很好的透明效果，热膨胀的指数比较低，在给汞蒸气压灯进行通电之后，在灯具的两极就会产生一种电弧，随着气温的升高，发出的光中就带有明显的紫外线。2.工作原理杀菌灯管包括高强Slimi

19、ne系列，冷阴极及预热型灯管。各种类型均提供无臭型及臭氧型。臭氧型灯管同时产生254nm及185nm波长紫外线。Slimine系列杀菌灯管：为即开型灯管，其两端采用线圈灯丝发热。灯管的使用寿命由电极及开启的频率决定。特别适合于需要高强度紫外线输出的应用，如紫外线水消毒、紫外线空气消毒及传送带消毒等。 冷阴极杀菌灯管：为即开型灯管，其两端用大的柱形阴极替代钨丝。由于这样的结构，冷阴极灯管不受开启次数的影响，其使用寿命（20000小时）超过其他类型的灯管。同时，冷阴极灯管具有良好的运行特性，在其使用寿命内可维持很高的紫外穿透率，甚至是在较低的温度下。因此，冷阴极灯管广泛使用在冷库冷柜及库房等场所。

20、由于其长使用寿命及低衰减特性，冷阴极灯管同时特别适合于空气消毒及表面直接照射消毒以及需要频繁开启的应用场合。 预热型灯管：采用预热电路，及相对紧凑和经济的镇流器。预热电路需要每支灯管具有四个电极，灯管启动有轻微的延时。由于电路较复杂，其可靠性不如Slimine系列及冷阴极系列即开型杀菌灯管。臭氧产生灯管：臭氧具有极高的氧化性，水消毒中可作为除臭剂及清洁剂。波长低于200nm的紫外线可以空气中将氧合成臭氧。臭氧型紫外线灯管除了产生254nm波长的紫外线外，还产生185nm波长的紫外线。3. 灯管选择灯管选择较为常见的飞利浦品牌灯管，其品牌消毒灯管种类齐全，方便设计选择。综合考虑到节能与成本，应选

21、择低压汞灯类型灯管，耗电较少的，并且尺寸应该控制在比较小的范围，便于底座设计。品牌：飞利浦品牌低压汞灯。型号：直管型TUV（低压汞蒸汽放电灯）。TUV6W特点：飞利浦TUV灯管发射短波紫外线(UV-C)来杀死细菌，病毒及其微生物或者使之失去活性，而且还能够杀死一些对其他方式免疫的微生物。可以用来对空气，水和物体表面进行消毒。 广泛应用于医院，空调系统，消毒柜，水处理设备，饮水机，污水处理厂，游泳池，食品饮料加工及包装设备，食品厂，化妆品厂，奶制品厂，酿酒厂，饮料厂，面包房和冷藏室等领域。 TUV消毒灯是具有管状的玻璃外壳的低压汞气放电灯，发射短波紫外辐射， 其峰值为253.7nm (UV-C)

22、,起到杀菌的作用。玻璃外壳把会产生臭氧的波长为185nm的辐射过滤掉。图 4.1 直管型TUV灯尺寸型号灯头电压（v）电流（A）使用寿命 （h）灯管尺寸（mm）ABCDTUV4WG5290.17600013614315016TUV6WG5420.16800021221922616TUV8WG5560.15800028829530316TUV10WG13460.23800021221922616TUV11WG5370.33800028829530316TUV15WG13510.34800033233934628TUV16WG5460.35800043744545228TUV25WG13460.6

23、0800043744545228TUV30WG131000.37800089590590928TUV36WG131030.44800011991207121428TUV55W H0G13830.77800089590290928TUV75W HOG131080.84800011991207121428表 4.1 飞利浦灯管型号及尺寸4.3 灯管布置设计1.杀菌要求 消毒有三大杀菌盲区：1）只能给物体（食物）上表面杀菌消毒，不能给物体下表面杀菌消毒；2）多个物体重叠时，不能给物体重叠部分表面杀菌消毒；3）只能给物体外表面杀菌消毒，不能给物体内部杀菌消毒。也就是说紫外线（不可见光）照射不到的地方是

24、不能起到杀菌消毒作用的。2. 设计方案 按照筷子盒的设计，筷子盒底部为重点对筷子消毒区域，对应在两斜面位置应当左右各设一盏紫外线灭菌灯。该处灯管可以很好的对筷子侧面进行消毒，随着筷子在盒内自由滚动至开口出，即可对筷子每个侧面都进行照射。筷子接触食物的一端是消毒杀菌的主要位置，基于这个原因，在筷子盒靠筷子细小端一侧面也需要一盏灭菌灯，针对该部位进行照射消毒灭菌。综合所需3盏紫外线灭菌灯，其固定在底座上端，设立安装灯座位置，并且能将紫外线照射到筷子盒里面。图 4.2 灯管安放位置4.4 本章小结 对消毒装置的设计包括灯管选择，安装及照射部位的设计，从节能和尺寸两方面考虑，选择了飞利浦tuv6w型灯

25、管，针对3个位置进行照射消毒，达到彻底消毒灭菌目的，满足新型筷子盒的要求。第五章 筷子盒底座部分设计5.1 底座设计1.设计要点：1）底座能够承重，壁厚合理，满足基本设计要求； 2）斜板与筷子盒体相配，上面设有安装紫外线灯的空间； 3）斜板后部要有突出的后面来对筷子盒体定位； 4）每个紫外线安装位置应有便于灯管安装拆卸的设计； 5）能满足将底座内各个零件安装、定位准确的相关设计。2.设计图：图 5.1 底座（单位：mm）图 5.2 整体效果3. 设计说明：底座整体长360mm，宽320mm，高160mm，大小合适，内部空间利用合理。下面设4个支撑角，避免底板使用时磨损和腐蚀。右壁开有孔，用于手

26、摇杆从中穿过。后侧为开放面，安装维护零件从底座后面进行。然后在后侧安装背板，螺栓连接，将底座密闭。前面开有长方形孔，与筷槽贯通，筷子就从此处推出，供人们使用。底座上端为3部分，左右两斜面，斜角同为20度，与筷子盒底部一致，后面高于斜面的部分作为对筷子盒定位的作用。安装筷槽时，先将筷子盒放置在斜面上，然后向后推到底，即可完成。斜面上安装紫外线灭菌灯，开设楔形槽，灯管放置槽内，安装或更换灯管时，手可以从槽的一侧伸入，轻松取出灯管。后部安装紫外线灭菌灯管所开槽也同样留有手掌接触灯管，将其取出的空间设计。底座与筷槽为一体设计，减少零件数量，维护清洗更加方便，筷槽部分设计依照筷槽设计章节要求进行完成。4

27、. 材料特性表： 聚氯乙烯(PVC):表 5.1 底座材料表5.2 强度校核1. 载荷分析： 底座斜面上受力主要来自筷子盒及里面储存的筷子重力。现设2面分别受到竖直方向100N，共计200N的力。其中筷子盒重约6kg，即承受筷子质量14kg，以足够日常使用筷子的承载。底座四个支撑角固定，进行划分网格和运算仿真。图 5.2 底座载荷分析2.应力分析：图 5.3 底座应力分析 底座材料根据材料表显示出屈服应力为6.89兆帕，在受到筷子盒及里面筷子重力作用后在底座上造成的最大应力为1.44兆帕，其值小于材料屈服应力，底座可以满足设计的需求。不会变形，断裂或压溃，可以达到正常使用的条件。5.3 本章小

28、结 底座设计是最后进行的，比较复杂，需要与各个零件衔接好，符合装配要求。最终的设计结果满足了这些条件，考虑到了多方面的细节处理。但还是存在有一些问题，不够完善。如筷槽的长度设计就有点不够完善，适应的长度范围与筷盒调节范围有点差别，但还是能满足基本的使用。后面对筷子盒底座进行了受力的分析研究，结果达到要求，设计基本完成。 第6章 总结6.1设计结论 新型卫生筷子盒取筷机构和紫外线消毒机构设计已全部完成，和其他部分机构能很好组合装配起来。与之搭配的筷子盒盒体设计参考了其他前人完成的设计，采取较为科学的隔板式结构，将筷子排列整齐。透明材质塑料可以很好透过紫外线消毒射线，与底座分离的盒体设计利于维护清

29、洗。与组员设计的传动装置配合而成的取筷机构设计是这次毕业设计的重点与难点。经过导师指导，以及多次改进，才设计出了这么一种合理，稳固的取筷机构，它结构简单，运行可靠，可以通过改变其中的一个杆件零件长度，达到适合多型号筷子的目的，满足设计初衷。盒底座的设计考虑到了很多装配细节，可以方便零件拆装，正常运作。同时还尽力完善了空间的利用率，底座设计不会过于庞大，浪费材料。最终完成设计后的整体效果较为满意，但还有许多改进的空间，存在一些不够完善的地方。这件设计作品只是一个雏形，与实际产品有一定差距，这就是我将来要努力完善之处。如果能继续从事机械设计方面工作，我一定要做到精益求精。 6.2自我总结 经过一个

30、学期的努力奋战，我的毕业设计终于完成了。看似很简单的课题，却让我绞尽脑汁，才完成设计工作，其中或许还有很多不足之处。可以看出毕业设计不只只是对这几年来所学知识的单纯总结，而是对自己活学活用专业能力的一种考验，是一种综合的再学习、再提高的过程，这一过程对我的学习能力、独立思考及工作能力都有很大提升作用。这次毕业设计让我发现自己专业知识还有许多欠缺，有许多基本知识也需要加强巩固，而且最重要的是知识必须通过应用才能实现其价值。有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现不知从何下手，所以我认为只有到真正能灵活运用的时候才算真正掌握了一门专业知识。眼高手低是普遍存在的问题，就从毕业设计来说，完成好一份较

31、好的设计绝非易事，许多知识使用起来都很陌生，进度很慢。有时一点粗心，就造成大量工作需要重做。做出的东西也往往达不到要求，需要多次修改。作为即将毕业走入社会工作岗位的我们来讲，这些都是弱点，是得好好学习提高的地方。以后的工作中，我们要学会收集和整理材料，能提出问题、分析问题和解决问题，并将其结果能清晰表达出来，然后多向周围的前辈或者同事请教学习，取长补短。我们当代大学生应该具有开拓精神，既有较扎实的基础知识和专业知识，又能发挥无限的创造力，再通过不断学习进步，才能不断解决实际工作中出现的新问题，取得事业的成功。     致谢 毕业设计终于顺利完成

32、了，在此我要衷心感谢我的指导老师：唐新姿老师，她严谨的科学态度，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我，是我学习的榜样。作为一个将要毕业的大学生最缺乏的就是实践经验，所以在毕业设计中肯定会有许多考虑不周全的地方，多亏导师循序善诱的进行指导，发散我们的思维，为我们排解困难，让我们从中收获了丰富的知识经验。唐老师在百忙之中抽出时间，每周举行例会，关心我们的设计进度，细心询问我们设计时遇到的困难，指出许多存在的问题，带领我一步一步解决设计难题。在我做毕业设计的每个阶段，从课题的选择到课题的最后完成，唐老师始终给予我最大的支持，在此谨向唐老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 然后我要感谢我的同学和组员，

33、每当我设计计算遇到问题时，他们总是能给与最大的帮助，他们为我出谋划策，提出了很多好的建议，他们的陪伴让我坚持到最后，克服每一次困难。他们是我大学最好的朋友，马上就要毕业了，在此我只想说：哥们，谢谢你们！ 最后我还要感谢母校对我四年的培养，今后的人生我会再接再厉，争取做出令人瞩目的成绩来回报母校，为母校争光添彩。参考文献1赖卫平.臭氧紫外线餐饮具消毒柜的设计.家用电器科技.1997年5月10日:25-26.2丹妮.健康家电消毒柜.绿色中国.2008年10月26日.3杨玉森.消毒餐具盒.农村青少年科学探究.2011年7-8期.4袁强.紫外线消毒灯的转动装置J. 中国医疗器械信息. 2006(02)

34、.5熊诗波,黄长艺.机械工程测试技术基础.2012年6月第3版.6阎邦椿.机械设计手册（第5版）第1卷.2010年.7童心.消毒柜：健康生活每一天.化学清洗.2002年1月25日.8韦万春，李莹.“筷子消毒机”真能消毒吗.中国国门时报.2013年3月22日.9赵芳.餐具消毒方法和消毒效果的探讨.疾病检测与控制.2013年1月20日.10潘存云，唐进元.机械原理.中南大学出版社.2011年11月.17-244页11濮良贵，纪名刚.机械设计（第八版）.高等教育出版社.2012年2月.360-406.文献翻译外文资料8.1. Modal Analysis of a Model Airpla

35、ne Wing 8.1.1. Problem Specification Applicable ANSYS Products: ANSYS Multiphysics, ANSYS Mechanical, ANSYS Structural, ANSYS ED Level of Difficulty: easy Interactive Time Required: 30 to 45 minutes Discipline: structural Analysis Type: modal Element Types Used: PLANE182 and SOLID185 ANSYS Feat

36、ures Demonstrated: extrusion with a mesh, selecting, eigenvalue modal analysis, animation Applicable Help Available: Modal Analysis in the Structural Analysis Guide, PLANE182 and SOLID185 in the Element Reference. 8.1.2. Problem Description This is a simple modal analysis of a wing of a model a

37、irplane. The wing is of uniform configuration along its length and its cross-sectional area is defined to be a straight line and a spline as shown. It is held fixed to the body of the airplane on one end and hangs freely at the other. The objective of the problem is to find the wing's natural fr

38、equencies and mode shapes. 8.1.2.1. Given The dimensions of the wing are as shown above. The wing is made of low density polyethylene with a Young's modulus of 38x103 psi, Poisson's ration of 0.3, and a density of 8.3E-5 lbf-sec2/in4. 8.1.2.2. Approach and Assumptions Assume the si

39、de of the wing connected to the plane is completely fixed in all degrees of freedom. The wing is solid and material properties are constant and isotropic. Solid modeling is used to generate a 2-D model of the cross-section of the wing. You then create a reasonable mesh and extrude the cross-section

40、into a 3-D solid model which will automatically be meshed. Additionally, the mesh used in this example will be fairly coarse for the element types used. This coarse mesh is used here so that this tutorial can be used with the ANSYS ED product. 8.1.2.3. Summary of Steps Use the information in th

41、is description and the steps below as a guideline in solving the problem on your own. Or, use the detailed interactive step-by-step solution by choosing the link for step 1. Input Geometry 1. Read in geometry input file. Back To Top Define Materials 2. Set preferences. 3. Define constant material pr

42、operties. Back To Top Generate Mesh 4. Define element type. 5. Mesh the area. 6. Extrude the meshed area into a meshed volume. Back To Top Apply Loads 7. Unselect 2-D elements. 8. Apply constraints to the model. Back To Top Obtain Solution 9. Specify analysis types and options. 10. Solve. Back To To

43、p Review Results 11. List the natural frequencies. 12. Animate the five mode shapes. 13. Exit the ANSYS program. 8.1.3. Input Geometry 8.1.3.1. Step 1: Read in geometry input file. You will begin by reading in a file that includes the model. 1. Utility Menu> File> Read Input from . 2

44、. File name: wing.inp UNIX version: /ansys_inc/v130/ansys/data/models/wing.inp PC version: Program FilesAnsys IncV130ANSYSdatamodelswing.inp 3. OK 8.1.4. Define Materials 8.1.4.1. Step 2: Set preferences. You will now set preferences in order to filter quantities that pertain to this disci

45、pline only. 1. Main Menu> Preferences 2. (check) “Structural” 3. OK 8.1.4.2. Step 3: Define constant material properties. 1. Main Menu> Preprocessor> Material Props> Material Models 2. (double-click) “Structural”, then “Linear”, then “Elastic”, then “Isotropic” 3. “EX” = 38000 4. “P

46、RXY” = 0.3 5. OK 6. (double-click) “Density” 7. “DENS” = 8.3e-5 8. OK 9. Material> Exit 8.1.5. Generate Mesh 8.1.5.1. Step 4: Define element types. Define two element types: a 2-D element and a 3-D element. Mesh the wing cross-sectional area with 2-D elements, and then extrude the area

47、to create a 3-D volume. The mesh will be "extruded" along with the geometry so 3-D elements will automatically be created in the volume. 1. Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete 2. Add. 3. “Structural Solid” (left column) 4. “Quad 4node 182” (right column) 5. Appl

48、y to choose the Quad 4 node ( PLANE182) 6. “Structural Solid” (left column) 7. “Brick 8node 185” (right column) 8. OK to choose the Brick 8 node ( SOLID185) 9. Options for Type2 SOLID185 10. Choose “Simple Enhanced Str” for the element technology. 11. OK 12. CLOSE 13. Toolbar: SAVE_DB 8.1.5.2. 

49、Step 5: Mesh the area. The next step is to specify mesh controls in order to obtain a particular mesh density. 1. Main Menu> Preprocessor> Meshing> Mesh Tool 2. “Size Controls Global” = Set 3. “Element edge length” = 0.25 4. OK 5. Mesh 6. Pick All 7. Close Warning. 8. Close Meshtool 9. Tool

50、bar: SAVE_DB In designing this problem, the maximum node limit of ANSYS ED was taken into consideration. That is why the 4-node PLANE182 element, rather than the 8-node PLANE183 element was used. Note that the mesh contains a PLANE182 triangle, which results in a warning. If you are not using ANSYS

51、ED, you may use PLANE183 during the element definitions to avoid this message. Note: The mesh you see on your screen may vary slightly from the mesh shown above. As a result of this, you may see slightly different results during postprocessing. For a discussion of results accuracy, see Planning Your

52、 Approach in the Modeling and Meshing Guide. 8.1.5.3. Step 6: Extrude the meshed area into a meshed volume. In this step, the 3-D volume is generated by first changing the element type to SOLID185, which is defined as element type 2, and then extruding the area into a volume. 1. Main Menu> P

53、reprocessor> Modeling> Operate> Extrude> Elem Ext Opts 2. (drop down) “Element type number” = 2 SOLID185 3. “No. Elem divs” = 10 4. OK 5. Main Menu> Preprocessor> Modeling> Operate> Extrude> Areas> By XYZ Offset 6. Pick All 7. “Offsets for extrusion” = 0, 0, 10 8. OK 9.

54、 Close Warning. Using SOLID185 to run this problem in ANSYS ED will generate the warning message. If ANSYS ED is not being used, then SOLID186 (20-node brick) can be used as element type 2. Using PLANE183 and SOLID186 produces a warning message about shape warning limits for 10 out of 160 elements i

55、n the volume. 10. Utility Menu> PlotCtrls> Pan, Zoom, Rotate 11. Iso 12. Close 13. Toolbar: SAVE_DB 8.1.6. Apply Loads 8.1.6.1. Step 7: Unselect 2-D elements. Before applying constraints to the fixed end of the wing, unselect all PLANE182 elements used in the 2-D area mesh since they will not be used for the analysis. 1. Utility Menu> Select> Entities 2.