王也，胡友才，彭美南，姬斌斌

（寧波公牛電器有限公司，浙江慈溪 315314）

0 引言

墻壁插座面板的拆卸是墻壁插座在使用和檢修前的必要環(huán)節(jié)，拆卸面板所需的必要步驟數(shù)量影響墻壁插座拆卸的難易程度[1]。因此，能否實現(xiàn)僅撬動一次面板即完成拆卸，直接影響墻壁插座的使用體驗。

墻壁插座面板拆卸是通過面板形變使面板卡扣與其他零部件緊固件相互脫離的過程[2]；實現(xiàn)面板的一次性拆卸，即需實現(xiàn)面板卡扣的同時脫扣。而影響面板卡扣同時脫扣的主要因素包含面板卡扣和面板本身的整體結(jié)構(gòu)，其中面板的卡扣是面板與其他零部件連接的緊固結(jié)構(gòu)，是面板拆卸所需突破的結(jié)構(gòu)約束本身；而面板的整體結(jié)構(gòu)影響其本身剛度，面板的剛度決定在拆卸狀態(tài)下面板形變的難易程度[3]。在卡扣結(jié)構(gòu)固定的情況下，其開始脫扣和完成脫扣所需要的面板形變程度是一個相對定值，因此，在拆卸過程中，在面板剛度一定的條件下，卡扣的布局直接影響卡扣脫扣的起始和結(jié)束點。但由于面板整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計往往因墻壁插座的功能需求不同而異，在這種結(jié)構(gòu)不對稱的情況下，面板的剛度并不均勻，且難以基于某一幾何特征或幾何參考對稱，這就導(dǎo)致實現(xiàn)卡扣同時脫扣的卡扣布局具有多樣性[4]。因此，探究面板拆卸過程中應(yīng)力不均勻的墻壁插座非對稱卡扣布局的脫扣順序規(guī)律及其面板卡扣的脫扣條件具有相當(dāng)重要的意義。

本文以一種帶側(cè)邊帶缺口的面板的墻壁插座為基礎(chǔ)模型，在試驗驗證的基礎(chǔ)上，通過仿真分析的方法，探究不同卡扣排布對多個卡扣脫扣順序的影響及單個卡扣脫扣的臨界特性。

1 模型的建立與分析

本文分析的基礎(chǔ)模型如圖1所示，該模型依據(jù)2種實際設(shè)計方案建立。在該模型中，因面板直接與固定架扣合，故不包含其他零部件。其中，面板卡扣為內(nèi)側(cè)卡扣，2種方案的撬口均位于面板側(cè)邊正中央，卡扣右側(cè)相同位置有同樣大小的缺口，且右側(cè)卡扣距撬口中心位置均為32 mm；2 種方案僅左側(cè)卡扣距離撬口中心位置不同，分別為19.65 mm和32 mm。

圖1 一種帶側(cè)邊帶缺口的面板的墻壁插座

因面板側(cè)邊缺口的存在，面板撬口左右兩側(cè)剛度不同，右側(cè)剛度小于左側(cè)剛度。在實際拆卸面板時，撬動撬口使其向上方發(fā)生位移，因面板左右兩側(cè)剛度不同，左右兩側(cè)發(fā)生不同程度的形變[5]，使左側(cè)面板提供與右側(cè)面板相同變形量的位置與右側(cè)不同?；A(chǔ)模型中，2種不同面板設(shè)計方案均因此無法實現(xiàn)左右兩側(cè)卡扣同時脫扣，且表現(xiàn)出不同的脫扣特征：左側(cè)卡扣距離為19.65 mm的方案的左側(cè)卡扣先脫扣，左側(cè)卡扣距離為32 mm的方案的右側(cè)卡扣先脫扣。

2 力學(xué)模型分析

圖2 非對稱卡扣脫扣力學(xué)模型

建立受力平衡的力學(xué)模型，其表達(dá)式為：

對于兩側(cè)卡扣，受力點A的力學(xué)表達(dá)式為：

式中，K1為面板左側(cè)剛度。

受力點B的力學(xué)表達(dá)式為：

式中，K2為面板左側(cè)剛度。

對于剛度K1和剛度K2，在脫扣過程中面板的形變?yōu)閺椥孕巫兦覟檠亓方向的彎曲，因此適用于彈性形變的彎曲剛度計算方法，彎曲剛度K的表達(dá)式[8]為

式中：E為彈性模量；b為截面寬度；h為截面高度。

3 仿真前處理及結(jié)果驗證

3.1 前處理

仿真結(jié)果的精度與分析模型的前處理相關(guān)，接觸設(shè)置、材料參數(shù)、網(wǎng)格劃分、步驟設(shè)置是影響仿真分析精度的主要因素。本文分析模型的接觸設(shè)置參考實際接觸區(qū)域設(shè)置，將通過實際測量得到的各個接觸位置的實際滑擦區(qū)域劃分在幾何模型表面形成接觸區(qū)。在每一對接觸區(qū)域中，設(shè)置網(wǎng)格節(jié)點數(shù)較多的面為主面，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)較少的面為輔面[9]。接觸設(shè)置參數(shù)由實際測量得出，參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 接觸設(shè)置參數(shù)

將與實際測試零部件相同的同一批次材料制成標(biāo)準(zhǔn)樣條，使用MTS SYSTEMS（CHINA）公司生產(chǎn)的CMT4104拉壓力機進行拉伸試驗，得出零部件的材料參數(shù)，拉伸試驗如圖3所示。

圖3 材料拉伸屈服測試

材料參數(shù)取3次拉伸試驗的平均值，參數(shù)如表2所示。

表2 材料實測參數(shù)

為使仿真分析具備較高的準(zhǔn)確性，通過劃分分析步驟的階段來控制約束、載荷、接觸生效與解除使仿真分析與實際試驗一致[10]。仿真設(shè)置中將仿真步驟劃分為環(huán)境步驟、臨時約束步驟、接觸步驟、載荷步驟4個階段，其中：環(huán)境步驟實現(xiàn)仿真的作用環(huán)境，使固定約束開始生效并作用于整個仿真分析過程；臨時約束是實現(xiàn)裝配過程，施加在接觸步驟前失效的能實現(xiàn)實際試驗形變相同的臨時約束，通過避免過盈設(shè)計導(dǎo)致的模型穿透，以避免接觸的穿透和漂移；接觸步驟使接觸生效并穩(wěn)定仿真對象狀態(tài)使其與實際情況一致；載荷步驟施加脫扣載荷，進行仿真運動。

為平衡計算速度與計算精度，按照接觸區(qū)網(wǎng)格最密集、整體網(wǎng)格較稀疏的原則進行網(wǎng)格劃分；為避免網(wǎng)格密度跳躍較大，設(shè)置接觸區(qū)域所在局部結(jié)構(gòu)網(wǎng)格密度為過渡。具體參數(shù)如表3所示。

表3 網(wǎng)格劃分參數(shù)

設(shè)置網(wǎng)格類型選擇帶中間節(jié)點的四面體網(wǎng)格，這種網(wǎng)格計算質(zhì)量接近六面體網(wǎng)格且能保留四面體網(wǎng)格易于劃分的優(yōu)點[11]；左側(cè)卡扣距離為19.65 mm的方案最終劃分網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為333 846，劃分網(wǎng)格單元數(shù)為183 611；左側(cè)卡扣距離為32 mm的方案最終劃分網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為354 391，劃分網(wǎng)格單元數(shù)為195 549。

3.2 仿真結(jié)果對標(biāo)

對2種原始方案模型進行有限元仿真分析。即以面板與固定架扣合狀態(tài)為起始狀態(tài)，向上抬動中間撬口，直至首個卡扣脫扣為止，其仿真結(jié)果應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 原始模型仿真結(jié)果

該應(yīng)力云圖為2種方案因脫扣應(yīng)力急劇變化時的應(yīng)力云圖，其各自表現(xiàn)的應(yīng)力最大處位于各自的先脫卡扣附近。這是由于卡扣脫扣過程是一種形變過程，應(yīng)力集中于形變最大處，而卡扣脫扣時，脫扣處形變最大，可見仿真結(jié)果與實際情況保持一致。同時，因卡扣距撬口距離更遠(yuǎn)，在卡扣脫扣所需的形變量一定的條件下，所需要的面板形變更大；可見右側(cè)方案脫扣時右側(cè)撬口抬升位移更高，且面板應(yīng)力值更高、變形更大，符合實際結(jié)果和規(guī)律?？烧J(rèn)為該仿真設(shè)置所計算的仿真結(jié)果與實際情況相吻合。

4 脫扣順序特性分析

為探究基于側(cè)邊缺口的墻壁插座面板的非對稱卡扣同時脫扣條件，首先對其不同布局情況下的兩側(cè)卡扣脫扣情況進行分析。由前文分析的標(biāo)準(zhǔn)模型可知，在面板基本結(jié)構(gòu)不變且右側(cè)卡扣位置不動的條件下，實現(xiàn)兩側(cè)卡扣同時脫扣要求的左側(cè)卡扣的位置應(yīng)為基礎(chǔ)模型2種方案的中間某處。

以二分法取基礎(chǔ)模型2種方案距離中心26 mm放置左側(cè)卡扣并進行仿真分析，發(fā)現(xiàn)先脫扣卡扣為左側(cè)卡扣，應(yīng)力云圖如圖5（a）所示。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計左側(cè)卡扣中心距撬口中心的距離為變量的脫扣順序特性分析實驗，仿真分析結(jié)果如圖5所示，圖5中由上至下依次為左側(cè)卡扣距撬口中心的設(shè)計距離分別為26、27、28、29、30、31 mm的云圖。

圖5 脫扣順序特性分析面板受力云圖

因面板拆卸是抬動撬口使面板卡扣與固定架卡扣相互脫離的過程，撬口位于面板中間，因此卡扣的相互分離滑動是從靠近面板中間方向開始并于靠近面板兩側(cè)外沿方向結(jié)束的。

通過分析26 mm方案可知，左側(cè)卡扣的應(yīng)力集中點于外沿處，右側(cè)卡扣的應(yīng)力集中點位于左側(cè)處，可以認(rèn)為，當(dāng)此面板左側(cè)卡扣完成脫扣時，右側(cè)卡扣剛剛開始脫扣，因此左側(cè)卡扣先脫扣。當(dāng)左側(cè)卡扣距撬口的距離不斷加長，右側(cè)卡扣的應(yīng)力集中點開始向右側(cè)邊移動，當(dāng)距離達(dá)到29 mm時，可見右側(cè)卡扣高應(yīng)力區(qū)已延伸至卡扣右側(cè)邊沿；當(dāng)距離達(dá)到30 mm時，面板左右兩側(cè)卡扣應(yīng)力集中區(qū)基本相同，此時左側(cè)卡扣先脫扣；當(dāng)距離達(dá)到31 mm時，面板左右兩側(cè)卡扣應(yīng)力集中區(qū)仍基本相同，此時右側(cè)卡扣先脫扣。由此可知，兩側(cè)卡扣同時脫扣左側(cè)卡扣的位置應(yīng)在距撬口中心30～31 mm處。通過兩側(cè)邊界條件推斷：兩側(cè)卡扣同時脫扣的充分條件是兩側(cè)卡扣的應(yīng)力集中點同時位于卡扣脫扣行程的結(jié)尾處，且卡扣應(yīng)力集中區(qū)也應(yīng)基本相同。

5 卡扣脫扣臨界應(yīng)力特性分析

在卡扣應(yīng)力集中區(qū)相同的條件下，試驗分析的兩側(cè)卡扣仍表現(xiàn)出不同的脫扣順序。由于卡扣脫扣是一個瞬時變化，可知此時卡扣脫扣臨界條件達(dá)成的順序決定了卡扣脫扣順序的不同。為探究卡扣脫扣臨界條件特性，設(shè)計變量僅為左側(cè)卡扣距撬口中心的設(shè)計距離分別為30.1、30.2、30.3、30.4、30.5、30.6、30.7、30.8、30.9 mm 的卡扣脫扣試驗。仿真應(yīng)力集中區(qū)結(jié)果如圖6所示。

圖6中依次為30.1～30.9 mm實驗方案的左側(cè)與右側(cè)卡扣外側(cè)邊沿受力云圖。可見左側(cè)卡扣應(yīng)力在30.1～30.7 mm方案均保持不變，且固定架卡扣應(yīng)力略大于面板卡扣應(yīng)力；而右側(cè)卡扣的應(yīng)力不斷增大，在距離為30.8 mm時增大至與左側(cè)卡扣相同，且此時兩側(cè)的固定架卡扣與面板卡扣局部應(yīng)力均基本相同；當(dāng)距離增加至30.9 mm時，右側(cè)卡扣應(yīng)力開始大于左側(cè)卡扣，且右側(cè)固定架卡扣局部應(yīng)力大于面板局部應(yīng)力。而實際測試結(jié)果中，當(dāng)左側(cè)卡扣中心距翹口中心距離為30.8 mm時兩側(cè)卡扣可同時脫扣。由此可知，單一卡扣脫扣的臨界條件是：固定架卡扣的應(yīng)力等于面板卡扣應(yīng)力。而兩側(cè)卡扣同時脫扣的臨界條件是：兩側(cè)固定架卡扣的局部應(yīng)力、兩側(cè)面板卡扣的局部應(yīng)力兩兩相等。

圖6 卡扣脫扣臨界應(yīng)力圖

6 結(jié)論

卡扣的布局是墻壁插座面板拆卸實現(xiàn)卡扣的同時脫扣的關(guān)鍵因素，卡扣的布局與面板的剛度相關(guān)；卡扣的布局應(yīng)滿足：兩側(cè)卡扣應(yīng)力集中點均位于其各自卡扣脫扣滑動行程的結(jié)尾處，且應(yīng)力集中區(qū)域各零部件應(yīng)力大小與分布均相同。