安裝孔帶斜坡的墻壁開關(guān)(插座)固定架FEA剛度分析方法

唐雪龍 陳旭波 姚思捷 胡友才 彭美南

（寧波公牛電器有限公司 慈溪 315314）

引言

墻壁開關(guān)（插座）固定架（以下簡稱“固定架”）在安裝時(shí)，在螺栓孔處承受螺栓預(yù)緊力作用，如果固定架剛度不足，將引起其整體發(fā)生較大的變形，同時(shí)內(nèi)部零件也會(huì)相應(yīng)發(fā)生較大幅度變形，從而引起開關(guān)按鈕無法撥打或者拉電弧，或者引起插座插頭插入不到位，過熱損壞等嚴(yán)重后果。所以固定架剛度的保證是非常重要的。

新型固定架在螺栓安裝孔的環(huán)形面上設(shè)置了斜坡面，以增加斜向力來增加固定架剛度，因?yàn)樾逼旅鏁?huì)壓潰，增加螺栓頭的摩擦系數(shù)，降低預(yù)緊力，從而降低固定架變形。如圖1所示。本文所討論的固定架就是這種固定架。

圖1 墻壁開關(guān)(插座)固定架安裝螺栓孔結(jié)構(gòu)及剛度試驗(yàn)夾具示意圖

按照公司內(nèi)部規(guī)定，測(cè)試固定架剛度的方法為，將固定架置于特制的臺(tái)架上，固定架兩邊搭接在臺(tái)架上，兩搭接邊間距75 mm，使用叉形壓頭在螺栓孔處加載500 N，測(cè)量螺栓孔邊緣的位移S，固定架剛度的定義為K=500/S，單位N/mm。

1 問題現(xiàn)狀

對(duì)于螺栓安裝孔帶斜坡的固定架，F(xiàn)EA剛度分析是非常困難的，按照目前的方法（本文“方法1”）進(jìn)行分析，用圖2的方式計(jì)算的變形值與試驗(yàn)值差距可能達(dá)到30 %以上，該差距無法接受。原因是安裝螺栓的螺栓頭會(huì)壓潰固定架斜坡面，造成側(cè)向力，豎直向下的加載模式不適合該結(jié)構(gòu)，如圖2所示。但是如果使用螺栓頭進(jìn)行復(fù)雜的接觸分析（本文“方法2”），如圖3所示，斜坡面一旦壓潰，塑料的高度屈服給FEA計(jì)算帶來巨大困難，計(jì)算到中途會(huì)計(jì)算不下去，而且計(jì)算時(shí)間非常漫長。

圖2 簡化的豎直加載全螺栓孔的方法的分析模型

圖3 復(fù)雜的螺栓頭接觸仿真方法的FEA分析模型

能否創(chuàng)造出一種全新的簡單的FEA方式，而且計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值準(zhǔn)確度在10 %左右，用FEA剛度分析來代替試驗(yàn)，加快研發(fā)進(jìn)度？

2 FEA仿真方法

2.1 簡化的豎直加載全螺栓孔的方法

這是目前使用的一種簡化的FEA剛度分析方法，約束固定架的A側(cè)與支架接觸的邊緣(虛線所示)的三個(gè)方向自由度UXUYUZ，約束固定架的B側(cè)與支架接觸的邊緣(虛線所示)的一個(gè)方向自由度UZ。在兩個(gè)螺栓安裝孔處分別施加Z方向向下250 N，用RBE2分散在整個(gè)螺栓孔環(huán)形面上，如圖4所示。

2.2 方法2：復(fù)雜的螺栓頭接觸仿真方法

用兩根4×4 mm的鋼軌托住固定架，之間建立接觸，鋼軌之間的距離等于圖4中支架AB兩側(cè)接觸邊緣的距離。上面用兩個(gè)?6 mm的圓柱壓頭壓在螺栓孔環(huán)形面上，建立接觸，在圓柱壓頭上施加強(qiáng)迫位移往下壓，如圖5所示。

圖4 簡化的豎直加載全螺栓孔的方法的詳細(xì)FEA分析模型

圖5 復(fù)雜的螺栓頭接觸仿真方法的詳細(xì)FEA分析模型

該分析時(shí)間非常漫長，長達(dá)幾個(gè)小時(shí)，進(jìn)行到中途便停止，螺栓孔環(huán)形面發(fā)生嚴(yán)重塑性變形[3]，螺栓頭已經(jīng)侵入接觸面，如圖6所示，此時(shí)兩螺栓孔的總壓力僅有367.6 N。

圖6 方法2的FEA應(yīng)力變形云圖

2.3 簡化的豎直加載螺栓接觸面的方法

約束加載方法同本文“方法1”，唯獨(dú)不同的是加載面，加載面從整個(gè)環(huán)形面變成了斜坡面上與螺栓頭接觸的局部，如圖7所示。

圖7 簡化的豎直加載螺栓接觸面的方法的詳細(xì)FEA分析模型

2.4 簡化的法向加載螺栓接觸面的方法

約束加載方法同本文2.1，唯獨(dú)不同的是加載面，加載面從整個(gè)環(huán)形面變成了斜坡面上與螺栓頭接觸的局部，而且方向從豎直向下，變成了沿斜坡面法向向下，但兩個(gè)螺栓孔的加載力的豎直方向分量之和依然是500 N，如圖8所示。

圖8 簡化的法向加載螺栓接觸面的方法的詳細(xì)FEA分析模型

2.5 簡化的45 o加載螺栓接觸面的方法

約束方法同本文“方法1”，唯獨(dú)不同的是加載面，加載面從整個(gè)環(huán)形面變成了斜坡面上與螺栓頭接觸的局部，而且方向從豎直向下，變成了與豎直方向成45 °夾角，但兩個(gè)螺栓孔的加載力的豎直方向分量之和依然是500 N，如圖9所示。

圖9 簡化的45 °加載螺栓接觸面的方法的詳細(xì)FEA分析模型

3 FEA分析所使用的材料參數(shù)

FEA分析所使用的材料參數(shù)如表1，計(jì)算剛度時(shí)FEA軟件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

4 墻壁開關(guān)(插座)固定架剛度測(cè)試與FEA結(jié)果對(duì)比

使用萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)固定架剛度進(jìn)行測(cè)量，如圖10所示，壓頭固定在萬能試驗(yàn)機(jī)上向下壓，施加500 N，固定架放置在特制的支架上，固定架與支架僅在A側(cè)和B側(cè)兩邊緣接觸，如圖11所示。然后測(cè)量固定架邊緣的位移量S。如圖所示。固定架的剛度K定義為K=500/S，單位N/mm。

圖10 使用萬能試驗(yàn)臺(tái)和專用夾具測(cè)試固定架剛度

圖11 測(cè)試固定架剛度所用的專用夾具和壓頭

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。

使用某型固定架A為對(duì)象，使用以上方法進(jìn)行剛度測(cè)試，數(shù)據(jù)如表2所示。目前使用的FEA方法1的結(jié)果與試驗(yàn)值差距最大，達(dá)到-33.8 %。最復(fù)雜的FEA方法2的結(jié)果與試驗(yàn)值差距最小，達(dá)-8.7 %（FEA分析在加載到368 N后終止，詳見本文2.2，于是試驗(yàn)時(shí)也加載368 N）。FEA方法3，F(xiàn)EA方法4，F(xiàn)EA方法5是三種創(chuàng)新的簡化FEA方法，其中FEA方法5的結(jié)果與試驗(yàn)值的差距最小，達(dá)-9 %。所以選用FEA方法5作為以后標(biāo)準(zhǔn)的固定架剛度的簡化FEA計(jì)算方法。

表2 固定架A的位移FEA分析結(jié)果與位移試驗(yàn)值

5 對(duì)FEA方法5的擴(kuò)大試驗(yàn)驗(yàn)證

使用另外三種型號(hào)的固定架B，C，D進(jìn)行剛度試驗(yàn)，同時(shí)使用FEA方法5對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比兩批結(jié)果，如表3所示。

表3 多型號(hào)固定架位移FEA分析結(jié)果與位移試驗(yàn)值

可見FEA方法5的結(jié)果與試驗(yàn)值高度吻合，差距在-7.5～2.3 %。證明該FEA方法是一種非常穩(wěn)定可靠的固定架剛度的計(jì)算方法，可普遍適用于不同外形的固定架，而且由于不需要做接觸，非常簡單，所以計(jì)算時(shí)間非常短，高效快速。

6 小結(jié)

本文對(duì)安裝孔帶斜坡的墻壁開關(guān)(插座)固定架的剛度FEA分析方法進(jìn)行了研究，并且與試驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比。研究了5種不同的FEA方法，淘汰了目前的FEA方法1以及其它3種FEA方法，選取了FEA方法5，即簡化的45 °加載外側(cè)螺栓孔的計(jì)算方法作為標(biāo)準(zhǔn)的固定架剛度計(jì)算方法。

該研究成果可以加快研發(fā)進(jìn)程，節(jié)約修改模具的成本，保證產(chǎn)品的性能。并且為將來的固定架輕量化研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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)。