陳旭波 姚思捷 馬 騰 張志穎 龔光輝

（寧波公牛電器有限公司 慈溪 315314）

引言

按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為保障墻壁插座產(chǎn)品在使用過程中的可維修性，要求墻壁插座面板在維修時(shí)便于拆卸，本公司規(guī)定面板的脫扣力在15～80 N之間，在面板中央加載，如圖1所示。一般而言，面板的最佳脫扣力為35 N。為保證不同插座產(chǎn)品面板的脫扣力始終在最佳值上。對(duì)影響面板脫扣力的關(guān)鍵影響因素進(jìn)行系統(tǒng)性研究非常重要。

在公司歷史上，曾發(fā)生過面板脫扣力偏小不合格的問題，后來發(fā)現(xiàn)是因?yàn)槊姘迕琢＝罡叨茸鲂?.1 mm了，按照既定思維，面板米粒筋僅僅是保證面板不晃動(dòng)的小特征，對(duì)面板脫扣力不應(yīng)該會(huì)造成大的影響，但是實(shí)際卻出乎意料，0.1 mm的偏差令脫扣力下降接近4 N，如果脫扣力的設(shè)計(jì)值偏小，面板米粒筋與固定架的間隙（如圖1所示）過大將直接導(dǎo)致面板脫扣力不合格。為此，精確地研究面板米粒筋與固定架的間隙對(duì)面板脫扣力的影響是必需的。

圖1 分析結(jié)構(gòu)的示意圖

1 研究方法

電工行業(yè)傳統(tǒng)的研究問題的方法為直接做幾個(gè)手板，然后做試驗(yàn)，得到變量對(duì)應(yīng)變量的影響曲線，事實(shí)上，這樣的方法時(shí)間和金錢成本都很高。CAE技術(shù)可以在幾乎零成本的前提下，快速進(jìn)行大量的系統(tǒng)性研究，方便快速的幾何或者材料參數(shù)的修改，立即得到計(jì)算結(jié)果，再根據(jù)計(jì)算得到的影響曲線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

但是CAE技術(shù)的基礎(chǔ)是建立在CAE分析的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值高度匹配的基礎(chǔ)上，要做到這一點(diǎn)需要深厚的力學(xué)理論，工程經(jīng)驗(yàn)和大量的數(shù)據(jù)測(cè)量作為基礎(chǔ)，但是一旦某類產(chǎn)品的某種力學(xué)性能的某套CAE分析方法經(jīng)過試驗(yàn)檢驗(yàn)，各項(xiàng)輸入?yún)?shù)和模型設(shè)置都驗(yàn)證完善，則該套CAE方法便可以應(yīng)用于同類型各種不同造型產(chǎn)品的該力學(xué)性能的分析計(jì)算，而且結(jié)果的獲取幾乎是零成本和零等待。

本文有關(guān)插座面板脫扣力CAE分析的各項(xiàng)設(shè)置（材料，網(wǎng)格，邊界條件）已經(jīng)經(jīng)過層層研究，使用經(jīng)過驗(yàn)證的試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法，確保試驗(yàn)結(jié)果的分散性較小，最后確保CAE分析的結(jié)果與試驗(yàn)值的匹配高度吻合，可以用于系統(tǒng)性地研究面板脫扣力的影響因素。

2 面板脫扣力的FEA仿真分析與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)

2.1 面板脫扣力的FEA仿真方法

2.1.1 FEA模型組成

FEA模型包含兩個(gè)部分，面板和固定架，如圖2所示。為了降低計(jì)算量，切了一半計(jì)算，對(duì)稱面需要施加對(duì)稱約束。

圖2 有限元分析用模型

2.1.2 FEA的接觸設(shè)置

1）面板前卡扣與固定架卡扣槽的接觸；

2）面板前米粒筋與固定架邊緣的接觸；

3）面板后卡扣與固定架卡扣槽的接觸；

4）面板后米粒筋與固定架邊緣的接觸。

2.1.3 FEA的約束設(shè)置

固定架約束固定架的螺栓孔。

2.1.4 FEA的加載

在如圖3所示的位置施加垂直面板邊緣平面向上（Y方向）的脫扣力。

圖3 面板脫扣力試驗(yàn)臺(tái)和正在做脫扣力試驗(yàn)的面板

2.2 FEA分析所使用的材料參數(shù)

本文研究的面板的材料是PC，通過注塑成型的方式制造。但是高分子材料的注塑條件，比如注塑壓力和注塑速度，均會(huì)對(duì)注塑件的彈性模量造成很大影響[3]。

經(jīng)實(shí)測(cè)，F(xiàn)EA分析所使用的材料參數(shù)如表1，計(jì)算時(shí)只需要輸入彈性模量E，泊松比μ，剪切模量G無需輸入，F(xiàn)EA軟件會(huì)根據(jù)E和μ自動(dòng)計(jì)算出G[1]。

表1 材料參數(shù)表

2.3 面板脫扣力試驗(yàn)與FEA結(jié)果對(duì)比

由于高分子材料具有粘彈性，測(cè)試的時(shí)間將對(duì)結(jié)果影響明顯[2]，本文對(duì)測(cè)試時(shí)間的規(guī)定為5 s內(nèi)測(cè)量位移量。

某型插座的面板脫扣力試驗(yàn)值如表2所示，說明FEA計(jì)算是可靠的。

表2 面板脫扣力(Y方向)的FEA計(jì)算值和試驗(yàn)值

3 面板米粒筋與固定架的間隙對(duì)面板脫扣力的影響研究

3.1 面板米粒筋與固定架的間隙對(duì)面板脫扣力的影響曲線

讓面板米粒筋與固定架的間隙在（-0.1～0.6）mm之間變化，用FEA軟件進(jìn)行計(jì)算出其對(duì)應(yīng)的脫扣力值，繪制出接觸圓角R對(duì)面板脫扣力的影響曲線，如表3和圖4所示。

圖4 面板米粒筋與固定架的間隙對(duì)面板脫扣力的影響

表3 接觸圓角R對(duì)面板脫扣力的影響敏感度

根據(jù)表3面板脫扣力數(shù)據(jù)繪制出圖4。

由圖4曲線可看出，如果面板米粒筋與固定架的間隙太大，相對(duì)正常狀態(tài)（見圖5（b）），會(huì)導(dǎo)致面板的后卡扣位置向前方和下方移動(dòng)，見圖5（a），令面板的前卡扣的扣合量下降，導(dǎo)致脫扣力降低。

然而，如果面板米粒筋與固定架的過盈太大，會(huì)導(dǎo)致面板的前卡扣位置和后卡扣位置分別向外部移動(dòng)，相對(duì)正常狀態(tài)（見圖5（b）），見圖5（c），也會(huì)導(dǎo)致面板的前卡扣的扣合量下降，導(dǎo)致脫扣力降低。

圖5 不同間隙下面板脫扣時(shí)后卡扣的變形與移動(dòng)狀態(tài)

由圖4曲線還可看出，很明顯，整體上，相比間隙設(shè)計(jì)值-0.1 mm，間隙加大或減小時(shí)面板脫扣力都是基本呈線性變化，變化速度恒定，而且間隙加大時(shí)的曲線斜率比間隙減小時(shí)的曲線斜率大，面板脫扣力降低更快。

3.2 面板米粒筋與固定架的間隙對(duì)面板脫扣力的影響敏感度曲線

變量對(duì)應(yīng)變量的影響敏感度定義為應(yīng)變量的變化率/變量的變化率。

根據(jù)表3影響敏感度的計(jì)算結(jié)果，繪制出面板米粒筋與固定架的間隙對(duì)面板脫扣力的影響敏感度曲線，如圖6所示。

圖6 面板米粒筋與固定架的間隙對(duì)面板脫扣力的影響敏感度曲線

由圖6可以看出，整體上，相比間隙設(shè)計(jì)值-0.1 mm，間隙加大或減小時(shí)其對(duì)面板脫扣力的影響敏感度都是基本呈線性增加，變化速度基本恒定。當(dāng)面板米粒筋與固定架的間隙為-0.40～0.05 mm時(shí)，該間隙對(duì)面板脫扣力的影響為低敏感度（絕對(duì)值＜0.3），當(dāng)面板米粒筋與固定架的間隙≥0.1 mm，≤0.5 mm時(shí)，該間隙對(duì)面板脫扣力的影響為中敏感度（絕對(duì)值＞0.3）。

4 優(yōu)化建議

1）雖然面板米粒筋與固定架的間隙對(duì)面板脫扣力的影響敏感度不大，但是從絕對(duì)值來說，影響還是不容忽視，僅僅變化0.1 mm，就有4 N的變化，對(duì)于脫扣力比較小的面板，對(duì)面板米粒筋與固定架的間隙需要盡量嚴(yán)格。否則脫扣力可能過小，不合格。

2）從圖6的曲線可以看出來，當(dāng)前的間隙設(shè)計(jì)值-0.1 mm（過盈0.1 mm）沒有完全發(fā)揮卡扣的潛力，如果把過盈設(shè)計(jì)在0.15～0.2 mm，會(huì)完全發(fā)揮卡扣的潛力，面板脫扣力比目前的設(shè)計(jì)值20.72 N大1.78 N。

5 小結(jié)

本文對(duì)面板米粒筋與固定架的間隙的影響進(jìn)行了研究，先利用FEA軟件計(jì)算面板的脫扣力，并充分驗(yàn)證影響FEA軟件計(jì)算結(jié)果的6大輸入?yún)?shù)：網(wǎng)格，接觸，約束，載荷，材料參數(shù)，摩擦系數(shù)等，以使FEA結(jié)果與試驗(yàn)值6差距在10 %左右。然后利用該準(zhǔn)確的FEA分析模型，分析了不同面板米粒筋與固定架的間隙對(duì)面板脫扣力的影響曲線和影響敏感度曲線。最后結(jié)合該影響曲線及試驗(yàn)結(jié)果作出了過盈設(shè)計(jì)在0.15～0.2 mm是最佳值的結(jié)論。

本研究證明了FEA力學(xué)分析技術(shù)可以非常高效快速地協(xié)助設(shè)計(jì)，幫助解決產(chǎn)品力學(xué)性能問題，輔助研究產(chǎn)品的改善方向，是值得電工行業(yè)大力推廣的高科技研發(fā)技術(shù)。