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研究生:陳盛勇
研究生(外文):sheng-young Chen
論文名稱:電腦輔助設計液晶電視固定基座結構強度與壓鑄製程
論文名稱(外文):The Computer-Aided Design for the Structure Strength and Die Casting Process of a LCD TV Stand
指導教授:邱武耀邱武耀引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄應用科技大學
系所名稱:模具工程系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2010
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:95
中文關鍵詞:鑄造模擬壓鑄製程
外文關鍵詞:casting simulationdie casting
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液晶電視固定基座材料採用鋁合金設計具有多項優點:如質輕、結構強度佳、表面光澤度佳、回收性優等,並用壓鑄製程可以作一體成形量產。本研究完成鋁合金壓鑄製程的液晶電視固定基座設計,應用電腦輔助鑄造模擬軟體分析不同鑄造方案,觀察鋁液在模穴中充填、流動、凝固等的情形,並預測缺陷可能發生的位置及種類;接著進行應力模擬分析,確認液晶電視固定基座結構強度後,探討液晶電視固定基座鑄件在摔落時,不同位置與角度碰撞後產生的應力分佈,並對最大應力所造成的衝擊破壞加以改善,增加其使用壽命。
主要分析流程為:(1)首先在Pro/ENGINEER進行3D模型及壓鑄方案設計,並進行模型的元素網格化及輸出成STL格式圖檔;(2)在CastCAE模擬軟體中進行鑄造條件的設定;(3)進行不同鑄造澆流道系統及冷卻系統的充填與凝固分析,得到鑄造缺陷的位置分佈,並探討各項缺陷之成因,再找出消除缺陷的改善方法;(4)在COSMOS模擬軟體中進行相關的負載及邊界條件設定;(5)進行電視固定基座承受靜力及摔落的應力及位移分析,歸納出電視固定基座採用鋁合金設計的壓鑄製程與結構強度參考數據。
研究結果顯示電視固定基座的縮孔缺陷體積由原始的294mm3改善至85mm3,大幅減少缺陷體積,並降低壓鑄縮孔的可能性,且其結構強度能承受20kg靜態負荷與600mm高度落地撞擊應力。本研究所建立的設計分析方法,可以有效提升電視固定基座的鑄件健全度及使用壽命,有效地縮短產品開發時間。除此,更可將本方法應用於相關工業產品的設計。
An aluminum LCD TV stands has many merits, such as light weight, high strength, bright surface, and recyclability. It is a one-piece part and is easily mass-produced. In this research, the design of an aluminum die casting LCD TV stand was completed by using computer programs. Using casting simulation software to simulate different cast plans, flowing and solidification of molten aluminum in the cavity can be observed, and the location and type of defects can be predicted. The strength of the stand was verified by stress simulation. The stress distribution in the stand was also investigated when the stand dropping and colliding at different positions and angles. Thus we can remedy the failure of collision, shorten the development time, and lengthen the product life.
The analyzing steps are as follows. (1) First, the 3D model and cast plan were designed using Pro/ENGINEER. Then the 3D model was meshed and output as STL format. (2) The casting parameters were set up in CastCAE simulation software. (3) Various runners and cooling systems were simulated to analyze fill-in and solidification situations. Thus casting defects can be predicted. After investigating the causes of these defects, solutions for removing these defects are put forth. (4) The load and boundary conditions were set up in COSMOS simulation software. (5) The stress and displacement of the stand under static load and dropping situation were analyzed. Thus the reference data of die casting process parameters and structure strength of the aluminum stand were got.
It shows from the result of the research that the volume of shrinkage defect diminished from original 294mm3 to 85mm3. That was 71% reduced. Moreover, the structure can bear 20 kg static load and the colliding force when dropping from 600mm height. The design and analysis method established from this research can effectively increase the integrity and life of the stand casting. Besides, this method can be applied to the design for other industrial products.
摘要 ………………………………………………………………………………I
ABSTRACT ………………………………………………………………………………II
誌謝 ……………………………………………………………………………IV
目錄 ……………………………………………………………………………V
表目錄 …………………………………………………………………………VII
圖目錄 ………………………………………………………………………VIII
符號說明 …………………………………………………………………………IX
第一章 緒論………………………………………………………………………1
1.1 前言………………………………………………………………………1
1.2 研究動機與目標…………………………………………………………2
1.3 液晶電視消費需求分析…………………………………………………2
1.4 論文大綱…………………………………………………………………5
第二章 壓鑄製程及模擬分析之基礎理論………………………………………6
2.1 壓鑄的特性………………………………………………………………6
2.2 壓鑄流程與設備…………………………………………………………8
2.3 壓鑄充填及冷卻 ………………………………………………………10
2.4 壓鑄用鋁合金 …………………………………………………………15
2.5 鋁合金壓鑄件缺陷 ……………………………………………………18
2.6 鑄造模擬分析技術 ……………………………………………………21
2.6.1 澆鑄過程分析 …………………………………………………21
2.6.2 凝固過程分析 …………………………………………………24
2.6.3 應力分佈 ………………………………………………………25
2.6.4 顯微組織與機械性質之預測 …………………………………25
2.7 電腦模擬鑄造系統 ……………………………………………………26
2.7.1 網格及鑄造條件 ………………………………………………27
2.7.2 模擬計算分析 …………………………………………………29
2.7.3 解析結果輸出 …………………………………………………29
第三章 結構應力數值計算 ……………………………………………………31
3.1 彈性力學理論 …………………………………………………………31
3.2 有限差分法( FDM ) .…………………………………………………33
3.3 Runge-Kutta 法 ………………………………………………………35
3.4 COSMOS軟體介紹 ……………………………………………………37
第四章 實驗方法 ………………………………………………………………38
4.1 實驗步驟 ………………………………………………………………38
4.2 壓鑄方案設計 …………………………………………………………39
4.2.1 壓鑄件本體 ……………………………………………………39
4.2.2 澆流道系統、溢流井 ………………………………………40
4.2.3 冷卻系統………………………………………………………43
4.3 壓鑄模擬分析 ………………………………………………………46
4.3.1 CastCAE數值模擬分析 ……………………………………46
4.3.2 邊界條件之設定………………………………………………47
4.3.3 材料熱物性質之建立…………………………………………47
4.3.4 製程條件之設定………………………………………………47
4.4 應力模擬分析…………………………………………………………48
4.4.1 模型材料與網格設定…………………………………………48
4.4.2 靜力邊界條件及負載…………………………………………49
4.4.3 落地撞擊條件…………………………………………………51
第五章 結果與討論 …………………………………………………………53
5.1 錐形澆流道充填模擬分析……………………………………………53
5.1.1 鋁液充填順序…………………………………………………53
5.1.2 鋁液充填之速度分佈…………………………………………54
5.2 扇形澆流道充填模擬分析……………………………………………58
5.2.1 鋁液充填順序…………………………………………………58
5.2.2 鋁液充填之速度分佈…………………………………………59
5.3 鋁液凝固溫度變化……………………………………………………63
5.3.1 鑄件缺陷產生分析……………………………………………63
5.3.2 模具冷卻方案模擬……………………………………………67
5.3.3 鑄件缺陷改善評估……………………………………………68
5.3.4 鑄件CAE分析結果……………………………………………69
5.4 鑄件應力模擬 ………………………………………………………73
5.4.1 靜態負荷與位移………………………………………………73
5.4.2 落地撞擊應力分析……………………………………………77
5.5 壓鑄修正方案 ………………………………………………………87
第六章 結論……………………………………………………………………92
參考文獻…………………………………………………………………………93
個人簡歷…………………………………………………………………………95
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