王也，陳旭波，常嘉能，姚思捷

（寧波公牛電器有限公司，浙江 慈溪 315314）

0 引言

墻壁插座因其安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在其裝飾部件以下，墻上拆裝需要先拆卸其裝飾部件。墻壁插座面板是墻壁插座的必要裝飾部件之一，因此墻壁插座面板的拆卸是用戶使用該產(chǎn)品的必須環(huán)節(jié)。在拆卸面板過程中，面板卡扣脫扣時(shí)的脫扣力及其脫扣行程都是影響面板能否拆卸的重要指標(biāo)；而面板的厚度直接影響面板脫扣時(shí)的脫扣力與脫扣行程[1]。

墻壁插座面板常被設(shè)計(jì)成單邊中間帶撬口，兩側(cè)內(nèi)置隱藏卡扣的結(jié)構(gòu)[2]。在具體設(shè)計(jì)中，面板兩側(cè)的內(nèi)置卡扣常因墻壁插座的不同功能需求設(shè)計(jì)的不同結(jié)構(gòu)而讓位，導(dǎo)致卡扣布局不對(duì)稱；或者因其他功能部件使面板側(cè)邊產(chǎn)生缺口而導(dǎo)致面板撬口兩側(cè)剛度不同，導(dǎo)致卡扣脫扣受力不對(duì)稱等，使在撬動(dòng)撬口時(shí)，兩側(cè)卡扣難以同時(shí)脫扣而形成一邊卡扣脫開、另一邊卡扣仍扣緊的情況[3]。在該情況下，仍扣緊的卡扣的再脫扣會(huì)形成單邊卡扣脫扣的工況。在該工況下，因力矩平衡的破壞，面板在撬動(dòng)過程中存在側(cè)邊翻轉(zhuǎn)，單邊卡扣脫扣受力與脫扣行程發(fā)生變化。而脫扣行程受使用工具的局限往往存在操作閾值，因此探究單邊卡扣脫扣受面板厚度的影響規(guī)律有一定的意義。本文使用仿真分析的方法，基于一種墻壁插座實(shí)際結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行面板厚度對(duì)其單邊卡扣脫扣的影響分析，探究其影響規(guī)律及其局限，并與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)照驗(yàn)證其可靠性。

1 結(jié)構(gòu)模型與工況

本次分析的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，脫扣相關(guān)結(jié)構(gòu)包含面板和固定架。模型結(jié)構(gòu)采用中間撬口、兩側(cè)隱藏式卡扣的設(shè)計(jì)。其中，右側(cè)卡扣因避讓其他功能性結(jié)構(gòu)不與左側(cè)卡扣相對(duì)于中間撬口對(duì)稱，左側(cè)卡扣中心距撬口中心19.65 mm，右側(cè)卡扣中心距撬口中心32 mm；且面板于撬口右側(cè)側(cè)邊存在缺口。該模型為原始尺寸模型。

圖1 參與分析的墻壁插座結(jié)構(gòu)模型

常規(guī)脫扣過程起始于使用工具對(duì)中間撬口的向上抬動(dòng)，抬動(dòng)過程中面板整體發(fā)生中間高、兩側(cè)低的翹曲形變和撬口側(cè)邊向外側(cè)翻轉(zhuǎn)的形變，面板卡扣與固定架卡扣由中間向兩側(cè)滑動(dòng)，卡扣滑動(dòng)結(jié)束后完成脫扣。其中，在卡扣相同的情況下，面板形變的程度直接決定卡扣滑動(dòng)的速度；而其形變程度由面板的剛度及撬口至卡扣的力矩決定。

顯而易見，因面板側(cè)邊缺口的影響，該結(jié)構(gòu)面板左側(cè)剛度大于右側(cè)，且在撬動(dòng)撬口脫扣過程中，左側(cè)卡扣力矩小于右側(cè)。當(dāng)左側(cè)卡扣完成滑動(dòng)后，右側(cè)卡扣未完成，故而存在右側(cè)卡扣需單邊脫扣的工況。

本文分析的單邊脫扣工況與常規(guī)脫扣工況類似，其顯著差別為：在脫扣過程中，沒有圖1所示左側(cè)卡扣的作用。

2 力學(xué)模型

依據(jù)卡扣脫扣的實(shí)際工況，基于本文分析的結(jié)構(gòu)模型建立卡扣在脫開過程中力學(xué)模型，如圖2所示。撬動(dòng)撬口后面板開始向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，在卡扣處面板卡扣與固定架卡扣的區(qū)域，固定架卡扣受到面板的力P，并認(rèn)為力P集中于卡扣幾何模型的幾何中心A點(diǎn)，該力的力矩為點(diǎn)A到面板在A的幾何尺寸對(duì)稱點(diǎn)B的長度L1；面板撬動(dòng)后繞撬口對(duì)稱端翻轉(zhuǎn)，則固定架在點(diǎn)A的幾何尺寸對(duì)稱點(diǎn)B受到相反的力，其力矩對(duì)應(yīng)為L2。而在點(diǎn)A處，面板卡扣受到固定架阻礙其向上運(yùn)動(dòng)的反作用力F，該力在坐標(biāo)系上的分量分別為Fx與Fy。依據(jù)Herz接觸理論[4]，兩物體接觸局部均會(huì)形成垂直于受力方向的局部形變并形成平面，在該模型中該平面在該平面坐標(biāo)系的投影與X坐標(biāo)軸的夾角為α。單個(gè)卡扣脫扣過程中B點(diǎn)受力力學(xué)表達(dá)式為

圖2 卡扣力學(xué)模型

脫扣力是使結(jié)構(gòu)變形克服固有結(jié)構(gòu)阻礙的力，其大小與施加方無關(guān)。由該模型可以很明確地看出，脫扣力P的大小主要與Fy的大小相關(guān)，它們?cè)诿摽圻^程的每個(gè)固定時(shí)刻保持力矩平衡。由式（2）可知，F(xiàn)y與Fx關(guān)于α角相關(guān)，α角是由脫扣過程中力F的方向決定的，而該力的方向與面板的整體形變相關(guān)?？芍琄是影響脫扣力的關(guān)鍵因素，該因素決定面板的形變，具體表現(xiàn)在它影響面板側(cè)邊翻折所需力的大小、面板頂面形變所需力的大小、面板卡扣與固定架卡扣接觸形變形成的面在坐標(biāo)系中的投影與X軸的夾角。

因?yàn)槊姘遄冃魏罂苫謴?fù)為原形，剛度K為彈性形變范疇的彎曲剛度，則剛度K的表達(dá)式[5]為

式中：E為彈性模量；b為截面寬度；h為截面高度。

依據(jù)式（5），截面高度（即彎曲方向的厚度）是影響面板剛度的高敏感因素，因此面板的厚度是影響脫扣的關(guān)鍵因素。這里面板的厚度分為面板側(cè)邊的厚度與面板頂面的厚度，面板側(cè)邊的厚度在實(shí)際設(shè)計(jì)中會(huì)影響墻壁插座的外沿尺寸，而外沿尺寸是固定值，因此本文主要討論面板頂面厚度對(duì)脫扣的影響。

3 前處理

3.1 網(wǎng)格的劃分

本文使用仿真試驗(yàn)的方法進(jìn)行理論研究，而網(wǎng)格的密度直接關(guān)乎仿真結(jié)果計(jì)算的精度，但過高的網(wǎng)格數(shù)量卻會(huì)增加仿真計(jì)算的計(jì)算量，延長計(jì)算時(shí)長并給設(shè)備帶來負(fù)擔(dān)。為平衡這一矛盾，采取整體網(wǎng)格密度較小、關(guān)鍵接觸位置網(wǎng)格密度較大的原則劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格設(shè)置如表1[6]所示。

表1 網(wǎng)格設(shè)置參數(shù)

網(wǎng)格類型主要分為六面體網(wǎng)格和四面體網(wǎng)格，其中六面體網(wǎng)格的精度高于四面體網(wǎng)格，這是由有限元仿真計(jì)算方法所決定的，而四面體網(wǎng)格更適應(yīng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的劃分；本文選擇帶中間節(jié)點(diǎn)的四面體網(wǎng)格，在保證網(wǎng)格劃分效率的基礎(chǔ)上使網(wǎng)格劃分質(zhì)量與六面體網(wǎng)格接近[7]。最終劃分網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為367 390，劃分網(wǎng)格單元數(shù)為205 095。

3.2 約束與接觸的設(shè)置

在實(shí)際拆卸環(huán)境下，墻壁插座各零部件之間及其固定架與墻壁之間包含螺釘連接等固定結(jié)構(gòu)連接。在仿真環(huán)境下，這些連接采用約束連接線、連接面各自對(duì)應(yīng)自由度或固定連接的方式進(jìn)行模擬連接。

仿真設(shè)置的各零部件的接觸面位置與實(shí)際安裝各零部件卡扣及其他接觸面的位置相同；在每對(duì)接觸的選擇上，選擇面積較大的面為主接觸面、面積較小的接觸面為附屬接觸面。各個(gè)接觸的接觸形式及屬性由實(shí)際測(cè)量獲得，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 接觸設(shè)置參數(shù)

3.3 材料的選擇

在實(shí)際工程生產(chǎn)過程中，為保證較高的生產(chǎn)效率，材料配比的精確性控制是一個(gè)區(qū)間而非某個(gè)固定值，這就導(dǎo)致不同批次材料的屬性存在細(xì)微差異，為保證仿真分析的準(zhǔn)確性，對(duì)被分析零部件實(shí)際使用的同一批次材料進(jìn)行測(cè)量[8]，并以此設(shè)置仿真材料參數(shù)，參數(shù)如表3所示。

表3 材料實(shí)測(cè)參數(shù)

3.4 載荷設(shè)置

卡扣作為基于零部件發(fā)生形變而扣鎖的緊固結(jié)構(gòu)，在扣合位置的結(jié)構(gòu)尺寸一般采用過盈設(shè)計(jì)。在分析時(shí)，直接劃分網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算易造成網(wǎng)格穿透，并且穿透位置為卡扣扣合的接觸面位置，這會(huì)導(dǎo)致接觸面的交錯(cuò)，進(jìn)而使接觸失效，導(dǎo)致卡扣緊固脫開。因此需要對(duì)過盈扣合量進(jìn)行臨時(shí)載荷設(shè)置，使其在脫扣過程計(jì)算前脫離過盈狀態(tài)，其中一個(gè)卡扣的臨時(shí)約束設(shè)置如圖3所示。設(shè)置位移載荷為臨時(shí)載荷，在撬動(dòng)載荷前生效，臨時(shí)載荷作用在與卡扣垂直的面上，載荷方向與撬動(dòng)載荷方向垂直，作用效果使設(shè)計(jì)過盈量消失且使接觸面最短距離小于0.01 mm[9]。

圖3 臨時(shí)約束設(shè)置示意圖

由第2節(jié)可知，脫扣力是克服結(jié)構(gòu)形變的反作用力，因此載荷設(shè)置為位移載荷，作用在撬口的幾何中心上，且作用點(diǎn)以固定連接形式連接作用面。載荷作用方向垂直于作用面向上，為穩(wěn)定計(jì)算且增加計(jì)算精度，載荷采用均勻施加的 方 法[10]，單 步載荷設(shè)置為0.2 mm，載荷作用總長設(shè)置為7 mm。

4 脫扣力及脫扣狀態(tài)的判定

將原始尺寸模型代入進(jìn)行仿真計(jì)算，模擬實(shí)際單邊脫扣工況，使模型左側(cè)卡扣脫扣，并保持右側(cè)卡扣扣鎖，使撬口穩(wěn)步向上運(yùn)動(dòng)，模擬右側(cè)卡扣脫扣全過程。因在實(shí)際狀態(tài)中，脫扣力的直觀感受點(diǎn)位于撬口中，故而設(shè)定撬口中心的力為脫扣力點(diǎn)，脫扣全過程的脫扣力變化如圖4所示。

圖4 原始尺寸模型單邊脫扣力

在脫扣過程中，分析脫扣過程及脫扣力趨勢(shì)可以看出：首先，面板與固定架整體發(fā)生彈性形變且卡扣并未開始脫扣，直至卡扣開始相對(duì)滑動(dòng)，此時(shí)脫扣力開始提升，然后突降；然后，面板卡扣與固定架卡扣由面板中心向面板側(cè)邊方向發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，同時(shí)二者形變加劇，脫扣力持續(xù)提升，直至卡扣局部開始發(fā)生塑性形變；最后，相對(duì)滑動(dòng)結(jié)束，脫扣力持續(xù)提升，達(dá)到峰值后發(fā)生突降。脫扣力突降時(shí)模型整體及卡扣局部仿真應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 原始尺寸模型脫扣狀態(tài)應(yīng)力分布

此時(shí)，面板左側(cè)較高，面板中間及右側(cè)發(fā)生大反轉(zhuǎn)彈性形變，右側(cè)卡扣右端上沿已滑過固定架卡扣右端下沿，脫扣區(qū)域中面板卡扣與固定架卡扣的局部應(yīng)力高于材料屈服應(yīng)力。此時(shí)卡扣完成相對(duì)滑動(dòng)距離，卡扣扣位干涉完全脫開，卡扣接觸區(qū)材料存在局部屈服。因此可以認(rèn)為，脫扣力發(fā)生突降時(shí)，卡扣恰好完成脫扣。

5 面板厚度對(duì)脫扣的影響

由圖5可見，單邊卡扣脫扣時(shí)的脫扣行程（即撬口的位移）主要由面板的形變產(chǎn)生，而非脫扣的偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生。加厚面板的厚度可增加面板的整體剛度，使面板減小形變量，減少脫扣行程，因此設(shè)計(jì)不同面板厚度條件下的單邊卡扣脫扣試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)以原始尺寸模型為實(shí)驗(yàn)組，以面板分別加厚0.5、1.0、1.5、2.0 mm為對(duì)照組，在其他條件均相同的條件下進(jìn)行仿真模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)脫扣行程結(jié)果如圖6 所示，脫扣力結(jié)果如圖7所示。

圖6 不同厚度面板脫扣行程結(jié)果

圖7 不同厚度面板脫扣力結(jié)果

可見，隨著面板厚度的提升，單邊卡扣的脫扣行程始終呈下降趨勢(shì)，但其下降折線的斜率也同時(shí)遞減，厚度由0.5 mm增加至1 mm的斜率是厚度由0 mm增加0.5 mm的斜率的79.07%，而厚度由0.5 mm增加至1 mm的斜率僅達(dá)到其39.07%。可知，增加面板厚度是減少單邊卡扣脫扣行程的可靠手段，但其效率隨厚度的增加而遞減。

通過分析脫扣力與面板厚度的關(guān)系可知，增加厚度在1 mm以下時(shí)，脫扣力隨厚度增加而增加；增加厚度超過1 mm時(shí)，脫扣力隨厚度增加而大幅度上升。這是因?yàn)榭勖摽圻^程是建立在一定程度的面板形變基礎(chǔ)上的，由厚度增加導(dǎo)致的強(qiáng)度增加有利于力的傳遞，但過高的強(qiáng)度影響面板本身的形變，使脫扣力增加。

因在實(shí)際情況中脫扣行程越小就越容易操作，故而在本分析案例條件下，考慮到脫扣力的因素，增加面板厚度1.5 mm為最優(yōu)，其脫扣力變化比例最小，僅為4.9%，而脫扣行程卻可降低57%。

6 試驗(yàn)對(duì)標(biāo)驗(yàn)證

脫扣行程是瞬間位移變化難以測(cè)量，故選擇脫扣力為仿真試驗(yàn)對(duì)標(biāo)指標(biāo)。使用同一批次、相同仿真試驗(yàn)參數(shù)與條件相同的不同厚度的面板進(jìn)行實(shí)際單邊脫扣的脫扣力測(cè)量，其結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同面板厚度脫扣力測(cè)量值

以實(shí)際測(cè)量值為基準(zhǔn)，有限元分析的仿真值在原始結(jié)構(gòu)條件下的偏差值為-5.17%，在厚度增加0.5 mm時(shí)偏差值為-2.64%，在厚度增加1 mm時(shí)偏差值為5.79%，在厚度增加1.5 mm時(shí)偏差值為4.39%，在厚度增加2 mm時(shí)偏差值為2.16 %?？烧J(rèn)為仿真脫扣力基本與實(shí)驗(yàn)值相當(dāng)，仿真脫扣行程為實(shí)際脫扣行程。

7 結(jié)論

增加墻壁插座面板厚度可有效減少其單邊卡扣脫扣行程，是減少其脫扣行程的有效方法，這是通過增加厚度以增加插座面板整體剛度來實(shí)現(xiàn)的。但脫扣行程的降低效率隨厚度增加而衰減，且一味增加厚度會(huì)導(dǎo)致脫扣力持續(xù)增大；這是由于脫扣是基于面板形變發(fā)生的，過高的剛度會(huì)導(dǎo)致面板形變困難，達(dá)到同樣的形變需要更大的力。因此，在考慮脫扣力框架下通過增加面板厚度而減少脫扣行程存在閾值。