某烹飪器具抽屜結(jié)構(gòu)拉出過(guò)程仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

周唯儒 莫遠(yuǎn)忠 朱麗珊 萬(wàn)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(chǔ)物抽屜和外框支撐部件組成。在抽屜底部有一個(gè)凹槽，與凹槽相連接的部位是一個(gè)凸起的卡扣，卡扣的作用一個(gè)是可以定位關(guān)閉時(shí)候的位置，另一個(gè)是在抽屜關(guān)閉的時(shí)候提供一個(gè)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(gè)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?jiǎn)單、快速和經(jīng)濟(jì)的連接結(jié)構(gòu)，主要通過(guò)卡與扣在裝配時(shí)的彈性變形和到位后的復(fù)原變形實(shí)現(xiàn)兩個(gè)部件的連接和固定?？圻B接可以實(shí)現(xiàn)其連帶部件的多次分離和連接而不對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[1]。

通常仿真分析都會(huì)簡(jiǎn)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(jiǎn)化[3-7]。本文通過(guò)使用Ansys Workbench軟件進(jìn)行仿真，分析中沒(méi)有簡(jiǎn)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(guò)在Ansys Workbench軟件中，定義整個(gè)拉出時(shí)間為10s，兩個(gè)分析步進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，預(yù)測(cè)拉出力大小以及卡扣最大應(yīng)力位置。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)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(jì)與分析，從而為相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供一種仿真方法。

2 有限元模型的建立

根據(jù)某型號(hào)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(wú)摩擦。在Ansys Workbench軟件中模擬抽屜由圖1所示位置拉出的過(guò)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(dòng)10mm，移動(dòng)分兩步進(jìn)行，第一步移動(dòng)0.1s，第二步移動(dòng)9.9s，用來(lái)模擬抽屜拉出的整個(gè)過(guò)程。對(duì)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(gè)，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(jì)算，第一步運(yùn)動(dòng)0.1s，子步定義為10，使接觸平穩(wěn)的建立。第二步運(yùn)動(dòng)9.9s，子步定義30，整個(gè)過(guò)程模擬用10s的時(shí)間拉出抽屜10mm，卡扣被完全壓下的過(guò)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(jì)算。

圖4 固定約束面設(shè)置

4 仿真計(jì)算結(jié)果

本次仿真模擬了抽屜拉出的過(guò)程，為了更好的貼近真實(shí)情況，本次分析采用了不簡(jiǎn)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(gè)單元，在112個(gè)核云計(jì)算平臺(tái)耗費(fèi)了62.692小時(shí)計(jì)算完成。雖然計(jì)算機(jī)計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，但是工程師的前處理時(shí)間很短，只用了2小時(shí)。

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(shí)整個(gè)計(jì)算時(shí)間是10s，與初始設(shè)定的計(jì)算時(shí)間相同。圖9為卡扣在10s時(shí)的變形圖，從圖中可以得出，拉出過(guò)程中10s時(shí)刻的卡扣的變形最大為2.4989mm，篩選整個(gè)拉出過(guò)程中的變形數(shù)據(jù)（如表1所示），在拉出過(guò)程中，卡扣的最大變形為2.6256mm，變形方向?yàn)樽鴺?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(guò)程中，拉出時(shí)間與卡扣變形的關(guān)系。

圖11所示為整個(gè)拉出過(guò)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(shí)候，此處容易因?yàn)閼?yīng)力集中產(chǎn)生開裂或者斷裂等破壞現(xiàn)象。

表1 拉出時(shí)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(guò)程中拉出力與拉出時(shí)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(guò)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(shí)候，拉力波動(dòng)比較大，在5.71s的時(shí)候，拉力趨于平穩(wěn)接近0，此時(shí)卡扣已經(jīng)被抽屜完全壓下，由于本次分析接觸為無(wú)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的真實(shí)性，根據(jù)三維圖進(jìn)行了樣機(jī)的制作，用于實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)方法為固定約束樣機(jī)產(chǎn)品，然后用拉力計(jì)拉出抽屜，拉出過(guò)程盡量緩慢平穩(wěn)勻速拉出，時(shí)間控制在10s拉出，拉出判斷為卡扣和抽屜完全分離，拉力計(jì)會(huì)自動(dòng)記錄最大的拉力，實(shí)驗(yàn)方法如圖13所示。圖14為拉出過(guò)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(shí)間關(guān)系

6 結(jié)論

本文對(duì)某烹飪器具抽屜結(jié)構(gòu)拉出過(guò)程進(jìn)行仿真分析，在仿真后根據(jù)三維模型制作了實(shí)物進(jìn)行拉出力實(shí)驗(yàn)。在盡可能保留模型細(xì)節(jié)的前提下，盡量對(duì)每個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行高度還原，沒(méi)有對(duì)模型進(jìn)行通常CAE分析的模型簡(jiǎn)化處理。目的是測(cè)試在不進(jìn)行模型處理的前提下，仿真所耗用的時(shí)間和計(jì)算資源有多大，達(dá)到的仿真預(yù)測(cè)效果如何。通過(guò)仿真分析預(yù)測(cè)了卡扣工作時(shí)抽屜拉出力為19.164N，而后的實(shí)驗(yàn)測(cè)量拉力為20.5N，仿真和實(shí)驗(yàn)相差1.336N，根據(jù)以上數(shù)據(jù)對(duì)比可以得出仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近，差異為6.5%。

通過(guò)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(shí)驗(yàn)值的預(yù)測(cè)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(jì)中，雖然仿真結(jié)果較為接近實(shí)驗(yàn)測(cè)量值，但是消耗計(jì)算資源和計(jì)算時(shí)間的成本比較高。通過(guò)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(shuō)，此部分的結(jié)構(gòu)還可以通過(guò)簡(jiǎn)化方法進(jìn)行模型簡(jiǎn)化。對(duì)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(píng)估計(jì)算時(shí)間成本和前處理時(shí)間成本，如果前處理時(shí)間（模型簡(jiǎn)化時(shí)間）過(guò)長(zhǎng)，采用本文所述方案明顯要優(yōu)于模型簡(jiǎn)化方案。因?yàn)楸疚乃龇桨赶娜肆Τ杀据^低，前處理只用了2個(gè)小時(shí)，大部分工作都由計(jì)算機(jī)承擔(dān)，在提交云計(jì)算后，節(jié)省的人力資源可以直接進(jìn)行其他項(xiàng)目仿真。此方法為項(xiàng)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(shí)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(shí)間變化曲線

圖13 實(shí)驗(yàn)測(cè)得拉出力方法示意圖

圖14 測(cè)得的拉出力值