周唯儒 莫遠(yuǎn)忠 朱麗珊 萬博臣

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

烹飪器具中有一種抽屜結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)由儲物抽屜和外框支撐部件組成。在抽屜底部有一個凹槽，與凹槽相連接的部位是一個凸起的卡扣，卡扣的作用一個是可以定位關(guān)閉時候的位置，另一個是在抽屜關(guān)閉的時候提供一個向上的彈力，從而輔助抽屜歸位，限制抽屜位移并固定抽屜。有了這個結(jié)構(gòu)，即便產(chǎn)品的安裝角度不在水平面上，也可以保證抽屜的順利歸位與正常工作。

本文所涉及的卡扣是塑料材料，這種材料具有經(jīng)濟(jì)性、柔韌性和注塑可行性?？凼呛唵?、快速和經(jīng)濟(jì)的連接結(jié)構(gòu)，主要通過卡與扣在裝配時的彈性變形和到位后的復(fù)原變形實現(xiàn)兩個部件的連接和固定。卡扣連接可以實現(xiàn)其連帶部件的多次分離和連接而不對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[1]。

通常仿真分析都會簡化模型，處理掉模型細(xì)節(jié)[2]。目前已經(jīng)有很多研究人員進(jìn)行了卡扣的研究工作，模型的處理都進(jìn)行了簡化[3-7]。本文通過使用Ansys Workbench軟件進(jìn)行仿真，分析中沒有簡化模型，而是直接將原模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，盡力保留模型的細(xì)節(jié)。通過在Ansys Workbench軟件中，定義整個拉出時間為10s，兩個分析步進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析，預(yù)測拉出力大小以及卡扣最大應(yīng)力位置。通過實驗結(jié)果與仿真結(jié)果的對比，得出二者的差異，判定本文中所述的仿真參數(shù)可以用于此類產(chǎn)品卡扣設(shè)計與分析，從而為相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計提供一種仿真方法。

2 有限元模型的建立

根據(jù)某型號產(chǎn)品結(jié)構(gòu)三維模型，先將模型進(jìn)行切分，提取需要分析的模型如圖1、圖2所示。定義圖3中紅色面和藍(lán)色面為接觸面，接觸面之間的摩擦類型定義為無摩擦。在Ansys Workbench軟件中模擬抽屜由圖1所示位置拉出的過程中抽屜和卡扣的應(yīng)力、變形以及拉出力大小。定義圖4中藍(lán)色面為固定約束面，定義圖5所示黃色面沿著圖示箭頭方向（黃色面的法向方向）移動10mm，移動分兩步進(jìn)行，第一步移動0.1s，第二步移動9.9s，用來模擬抽屜拉出的整個過程。對各部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為抽屜2mm，框架3mm，劃分網(wǎng)格后的單元數(shù)量為2191359個，網(wǎng)格模型如圖6所示，網(wǎng)格質(zhì)量如圖7所示。

圖2 抽屜和固定架模型圖2

圖3 接觸面設(shè)置

3 求解及材料設(shè)定

定義材料參數(shù)。抽屜為聚碳酸酯（PC）材料，取彈性模量為2300MPa、泊松比為0.39[5-8]?？蹫榫埘０?6（PA6）材料，取彈性模量2000MPa，泊松比為 0.386[9-10]。在求解設(shè)定中，定義兩步計算，第一步運動0.1s，子步定義為10，使接觸平穩(wěn)的建立。第二步運動9.9s，子步定義30，整個過程模擬用10s的時間拉出抽屜10mm，卡扣被完全壓下的過程。設(shè)置完畢后導(dǎo)出文件為inp格式文件，提交云服務(wù)器進(jìn)行計算。

圖4 固定約束面設(shè)置

4 仿真計算結(jié)果

本次仿真模擬了抽屜拉出的過程，為了更好的貼近真實情況，本次分析采用了不簡化模型的方法，從而導(dǎo)致了網(wǎng)格數(shù)量龐大，一共有2191359個單元，在112個核云計算平臺耗費了62.692小時計算完成。雖然計算機(jī)計算時間長，但是工程師的前處理時間很短，只用了2小時。

根據(jù)所得結(jié)果，首先查看變形圖。如圖8所示，卡扣已經(jīng)被完全壓下，此時整個計算時間是10s，與初始設(shè)定的計算時間相同。圖9為卡扣在10s時的變形圖，從圖中可以得出，拉出過程中10s時刻的卡扣的變形最大為2.4989mm，篩選整個拉出過程中的變形數(shù)據(jù)（如表1所示），在拉出過程中，卡扣的最大變形為2.6256mm，變形方向為坐標(biāo)系Y軸負(fù)方向。整理表1數(shù)據(jù)可以得到圖10所示的曲線圖，該圖可以直觀的表現(xiàn)拉出過程中，拉出時間與卡扣變形的關(guān)系。

圖11所示為整個拉出過程中卡扣的最大應(yīng)力情況，根據(jù)圖中所示結(jié)果表明最大應(yīng)力所處位置為卡扣加強(qiáng)筋根部，靠近卡扣與框架連接部位有39MPa，小于PC材料的屈服強(qiáng)度60MPa，在往復(fù)推拉抽屜的時候，此處容易因為應(yīng)力集中產(chǎn)生開裂或者斷裂等破壞現(xiàn)象。

表1 拉出時間與卡扣變形的關(guān)系

圖5 定義位移方向和距離

圖6 網(wǎng)格模型

圖7 網(wǎng)格質(zhì)量

圖8 抽屜位移圖

圖9 卡扣最大變形圖

表2列出了拉出過程中拉出力與拉出時間的關(guān)系數(shù)據(jù)，根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以得出，拉出過程中的最大拉力是19.164N，發(fā)生在1.75s，整理表2中的數(shù)據(jù)可以得到圖12所示的曲線，由圖12可以很直觀的看出在剛拉出抽屜的時候，拉力波動比較大，在5.71s的時候，拉力趨于平穩(wěn)接近0，此時卡扣已經(jīng)被抽屜完全壓下，由于本次分析接觸為無摩擦（光滑）接觸，所以當(dāng)卡扣被完全壓下后，拉出力接近0N。表2中拉出力的正值表示拉出力方向與Z軸正方向一致（圖8所示坐標(biāo)軸方向），負(fù)值表示與Z軸反向一致。

5 實驗驗證

為了驗證仿真結(jié)果的真實性，根據(jù)三維圖進(jìn)行了樣機(jī)的制作，用于實驗測試。實驗方法為固定約束樣機(jī)產(chǎn)品，然后用拉力計拉出抽屜，拉出過程盡量緩慢平穩(wěn)勻速拉出，時間控制在10s拉出，拉出判斷為卡扣和抽屜完全分離，拉力計會自動記錄最大的拉力，實驗方法如圖13所示。圖14為拉出過程中拉出力的最大值，根據(jù)圖14所示，最大拉出力為20.5N。

表2 拉出力與時間關(guān)系

6 結(jié)論

本文對某烹飪器具抽屜結(jié)構(gòu)拉出過程進(jìn)行仿真分析，在仿真后根據(jù)三維模型制作了實物進(jìn)行拉出力實驗。在盡可能保留模型細(xì)節(jié)的前提下，盡量對每個細(xì)節(jié)進(jìn)行高度還原，沒有對模型進(jìn)行通常CAE分析的模型簡化處理。目的是測試在不進(jìn)行模型處理的前提下，仿真所耗用的時間和計算資源有多大，達(dá)到的仿真預(yù)測效果如何。通過仿真分析預(yù)測了卡扣工作時抽屜拉出力為19.164N，而后的實驗測量拉力為20.5N，仿真和實驗相差1.336N，根據(jù)以上數(shù)據(jù)對比可以得出仿真和實驗結(jié)果接近，差異為6.5%。

通過以上結(jié)論可以得出，應(yīng)用本文中的仿真分析方法進(jìn)行抽屜卡扣仿真分析可以得到接近于實驗值的預(yù)測結(jié)果。此種基于Ansys Workbench的分析方案可以應(yīng)用于卡扣設(shè)計中，雖然仿真結(jié)果較為接近實驗測量值，但是消耗計算資源和計算時間的成本比較高。通過研究文中的應(yīng)力和變形結(jié)果，可以很明顯看出在卡扣周圍的大部分框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形幾乎為零。也就是說，此部分的結(jié)構(gòu)還可以通過簡化方法進(jìn)行模型簡化。對于仿真卡扣結(jié)構(gòu)，工程師可以參考本文中的方案進(jìn)行評估計算時間成本和前處理時間成本，如果前處理時間（模型簡化時間）過長，采用本文所述方案明顯要優(yōu)于模型簡化方案。因為本文所述方案消耗人力成本較低，前處理只用了2個小時，大部分工作都由計算機(jī)承擔(dān)，在提交云計算后，節(jié)省的人力資源可以直接進(jìn)行其他項目仿真。此方法為項目繁多的企業(yè)或者仿真工程師數(shù)量有限的企業(yè)提供一種可以借鑒的產(chǎn)品開發(fā)仿真分析方案。

圖10 拉出時間與卡扣變形的關(guān)系

圖11 卡扣最大應(yīng)力圖

圖12 拉出力隨時間變化曲線

圖13 實驗測得拉出力方法示意圖

圖14 測得的拉出力值