調(diào)速開關(guān)面蓋卡扣安裝斷裂分析與優(yōu)化

陳旭波 姚思捷 馬 騰 張志穎 夏 添

（寧波公牛電器有限公司 慈溪 315314）

引言

調(diào)速開關(guān)旋鈕支架在安裝壓入面板過程中發(fā)生面板卡扣斷裂如圖1所示，首先需要調(diào)查失效原因,然后需要提出優(yōu)化改進(jìn)建議。由于結(jié)構(gòu)的特殊性,卡扣上有兩條傳力路徑,互相影響，受力比較復(fù)雜,如果用開試驗(yàn)?zāi)５姆椒ㄟM(jìn)行研究,耗時(shí)耗錢很多。于是使用CAE分析進(jìn)行系統(tǒng)性研究，分3個(gè)優(yōu)化方向進(jìn)行優(yōu)化，最后繪制影響曲線。

雖然本文的CAE的準(zhǔn)確度不是很高，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)已經(jīng)大面積屈服，而且塑料的屈服理論比較復(fù)雜[2]，塑性階段應(yīng)力的精確計(jì)算比較困難，但是因?yàn)橹挥胁牧锨@一項(xiàng)誤差影響，整體上看CAE分析結(jié)果與試驗(yàn)值的差距是可控的，還是可以使用CAE軟件進(jìn)行對比分析的。

1 問題描述及根因分析

調(diào)速開關(guān)面蓋卡扣斷裂的原因有兩個(gè)，一是面蓋上表面噴漆對材料抗拉強(qiáng)度的嚴(yán)重削弱，并讓材料變脆。二是卡扣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，應(yīng)力太大。對以上兩個(gè)原因的驗(yàn)證如下：1）噴涂對PC屈服強(qiáng)度的影響

對未表面噴漆的調(diào)速開關(guān)面蓋進(jìn)行安裝試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)卡扣并沒有斷裂，驗(yàn)證了表面噴漆對材料抗拉強(qiáng)度有嚴(yán)重削弱。

2）卡扣結(jié)構(gòu)應(yīng)力太大

對調(diào)速開關(guān)旋鈕支架壓入過程進(jìn)行CAE分析，查看材料屈服面積的大小，材料屈服面積大，證明了應(yīng)力確實(shí)太大，具體操作和結(jié)果見本文第2條。

2 調(diào)速開關(guān)旋鈕支架壓入力的FEA仿真分析

2.1 調(diào)速開關(guān)旋鈕支架壓入力的FEA仿真方法

2.1.1 FEA模型組成

FEA模型包含兩個(gè)部分，面蓋和旋鈕支架，如圖2所示。為了降低計(jì)算量，切了1/4用于計(jì)算，對稱面需要施加對稱約束。

2.1.2 FEA的接觸設(shè)置

建立面板卡扣與旋鈕支架的接觸，如圖2所示。

2.1.3 FEA的約束設(shè)置

1）在對稱約束面1和對稱約束面3施加對稱約束，約束平面法向位移，如圖2所示。

2）固定面板底面，如圖2所示。

2.1.4 FEA的加載

在如圖2所示的位置施加強(qiáng)迫位移，0～2.5 mm。

2.2 FEA分析所使用的材料參數(shù)

本文研究的面蓋的材料是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，均會對注塑件的彈性模量造成很大影響[3]，見表1。

表1 材料參數(shù)表

經(jīng)實(shí)測，F(xiàn)EA分析所使用的材料參數(shù)如下,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軟件會根據(jù)E和μ自動(dòng)計(jì)算出G[1]。

2.3 FEA分析結(jié)果

圖3是應(yīng)力結(jié)果，超過63 MPa的區(qū)域顯示成灰色，可見即使不考慮表面噴漆對材料強(qiáng)度的影響，假設(shè)PC的屈服強(qiáng)度是63 MPa，卡扣也已經(jīng)有很大面積進(jìn)入屈服，尤其是開裂位置附近，如圖3箭頭所示，斷裂風(fēng)險(xiǎn)很大。可以證明本文第1條中失效原因（2）。

3 優(yōu)化方案

3.1 優(yōu)化思路1

面蓋原始結(jié)構(gòu)在有一個(gè)下表面有凸臺，如圖4圓圈處所標(biāo)，其實(shí)這個(gè)凸臺只是加強(qiáng)了整個(gè)卡扣傳力路徑的剛度，而沒有增加斷裂位置的截面強(qiáng)度。如果取消凸臺(見圖4優(yōu)化結(jié)構(gòu)A)可以大幅度減低整個(gè)卡扣傳力路徑的剛度，降低卡扣接觸力，降低斷裂截面的內(nèi)力和內(nèi)力矩，從而降低斷裂截面的應(yīng)力。

本文所有優(yōu)化方案的應(yīng)力計(jì)算的讀取位置同初始的實(shí)際開裂位置，如圖3所示，后面統(tǒng)稱應(yīng)力讀取位置為“開裂風(fēng)險(xiǎn)位置”。

原始結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)A在開裂風(fēng)險(xiǎn)位置的應(yīng)力和卡扣接觸力見表2。優(yōu)化結(jié)構(gòu)的A的卡扣剛度顯著降低，令卡扣接觸力下降17.9 %，以致開裂風(fēng)險(xiǎn)位置的截面的內(nèi)力和內(nèi)力矩大幅下降，應(yīng)力下降17.0 %。

3.2 優(yōu)化思路2

該優(yōu)化思路將開裂風(fēng)險(xiǎn)位置所在平板局部進(jìn)行加厚，如圖5所示，該優(yōu)化思路可以加高開裂風(fēng)險(xiǎn)位置所處的截面高度，增加局部強(qiáng)度。

應(yīng)力結(jié)果和卡扣接觸力見表2，我們發(fā)現(xiàn)開裂風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)力幾乎沒有降低，原因是在增加平板局部剛度的情況下，整個(gè)卡扣的剛度也同步增加，卡扣的接觸力和摩擦力同步增加，導(dǎo)致開裂風(fēng)險(xiǎn)位置所處的截面的內(nèi)力和內(nèi)力矩同步增加，雖說截面的高度和抗彎截面系數(shù)增加了，但是綜合來看，應(yīng)力幾乎沒有降低。

所以，針對施加強(qiáng)迫位移的結(jié)構(gòu)的應(yīng)力降低，我們不能用常見的施加固定載荷的結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)思路，用簡簡單單地增加截面尺寸的方法，有時(shí)可能會無功而返。因?yàn)閺?qiáng)迫位移的結(jié)構(gòu)的載荷是可能會變的，增加了截面尺寸后，結(jié)構(gòu)剛度可能會增加，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的載荷也增加。所以需要考慮，盡量在不大幅度增加結(jié)構(gòu)剛度的情況下，提升結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)截面的尺寸?；蛘吒纱嘞朕k法增加一條傳力路徑將風(fēng)險(xiǎn)截面的內(nèi)力載荷轉(zhuǎn)移至新的傳力路徑上。詳見優(yōu)化思路3。

3.3 優(yōu)化思路3

本優(yōu)化思路的靈感源自中國兵家古代謀略《三十六計(jì)》中的兩計(jì)：“釜底抽薪”和“圍魏救趙”，就是增加一條傳力路徑將開裂風(fēng)險(xiǎn)位置的內(nèi)力載荷吸引過來，降低開裂風(fēng)險(xiǎn)位置的內(nèi)力載荷，從而降低開裂風(fēng)險(xiǎn)位置的應(yīng)力。其原理是基于載荷是按照各條傳力路徑的剛度來分配內(nèi)力載荷進(jìn)行傳遞的規(guī)律，剛度大的傳力路徑傳遞的內(nèi)力載荷大，剛度小的傳力路徑傳遞的內(nèi)力載荷小。

本優(yōu)化思路的具體操作如下，在卡扣的中央位置增加一條寬度恒定為0.8 mm的加強(qiáng)筋（高度ΔH可變化，見圖6，圖6是1/4模型，所以加強(qiáng)筋出現(xiàn)在側(cè)面），讓這條加強(qiáng)筋把內(nèi)力載荷更多地從該中部加強(qiáng)筋傳遞，降低兩側(cè)開裂風(fēng)險(xiǎn)位置傳遞的內(nèi)力載荷。

應(yīng)力結(jié)果和卡扣接觸力見表2，我們發(fā)現(xiàn)開裂風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)力明顯降低，特別注意到，當(dāng)加強(qiáng)筋加高到1.4 mm后的卡扣接觸力與優(yōu)化思路2的加厚平板0.6 mm的卡扣接觸力幾乎一樣，但是加強(qiáng)筋的方案的應(yīng)力比加厚平板的方案應(yīng)力小26.8 %。這就證明了，在同樣的外力載荷下，加強(qiáng)筋優(yōu)化方案可以大幅度把內(nèi)力載荷從兩側(cè)開裂風(fēng)險(xiǎn)位置抽調(diào)到中央加強(qiáng)筋位置，降低兩側(cè)開裂風(fēng)險(xiǎn)位置傳遞的內(nèi)力載荷，從而降低卡扣兩側(cè)開裂風(fēng)險(xiǎn)位置的應(yīng)力。

表2 三種優(yōu)化思路下開裂風(fēng)險(xiǎn)位置的最大拉應(yīng)力

4 傳力路徑的剛度對載荷傳遞的影響

1）傳力路徑是一種航空和汽車工程師口口相傳的力學(xué)概念，簡單歸納一下可以這樣定義，傳力路徑是指結(jié)構(gòu)上的把外力載荷傳遞到約束上的路徑。

在航空界，傳力路徑的設(shè)計(jì)要訣是，“飛機(jī)機(jī)身上的傳力路徑主要是通過縱梁傳遞，傳力路徑的設(shè)計(jì)需要簡單，干脆，直接，上面不要有“硬點(diǎn)”，因?yàn)橛颤c(diǎn)往往有應(yīng)力集中，引起疲勞問題?！逼渲羞@個(gè)“硬點(diǎn)”是指一些小的連接構(gòu)件，相當(dāng)于小的約束支撐，但是剛度很大，所以連接力很大，如果這些小的約束支撐連接面積很小，就會造成很大的局部應(yīng)力。

在汽車界，傳力路徑的設(shè)計(jì)要訣是需要保持連續(xù)，不能中斷，一旦中斷，傳力路徑的剛度將嚴(yán)重削弱。比如發(fā)動(dòng)機(jī)蓋上的沖壓凸起傳力路徑一般會繞著發(fā)動(dòng)機(jī)蓋走一整圈，如果無意中把凸起的傳力路徑的局部高度壓扁，就會導(dǎo)致傳力路徑中斷，嚴(yán)重減低發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的剛度，降低發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的一階自振頻率。另外在汽車前碰撞過程中，一般前縱梁把應(yīng)力波能量傳遞到前擋風(fēng)玻璃兩側(cè)的A柱上，再往車身后傳遞。如果再增加一條傳力路徑，把前側(cè)門和后側(cè)門的橫梁與車身中央的B柱之間的接觸間隙以及后側(cè)門的橫梁與車身后側(cè)的C柱的接觸間隙都做小，這樣前橫梁傳遞過來的應(yīng)力波能量可以通過前、后側(cè)門的橫梁和B、C柱一口氣傳到車身后部，大大增強(qiáng)車身的抗前碰撞能力。

2）從以上工程經(jīng)驗(yàn)來看，傳力路徑的基本定義和基本設(shè)計(jì)思路是明確的，要求保持現(xiàn)有傳力路徑的有效性以及試圖增加傳力路徑以增加整體強(qiáng)度和剛度上。但是以前行業(yè)內(nèi)沒有明確提出增加了傳力路徑后對原有傳力路徑的載荷的削弱影響，也沒有提出通用性的增加傳力路徑以降低原有傳力路徑的思路方法，增加傳力路徑有時(shí)被簡單理解為增加結(jié)構(gòu)的截面尺寸以增加結(jié)構(gòu)截面的整體抗彎截面系數(shù)這種傳統(tǒng)的單傳力路徑的加強(qiáng)思路。舉個(gè)例子，車身底盤的鈑金連接位置開裂，所以在附近增加其他鈑金連接以減低應(yīng)力，就一般會理解為附近增加的鈑金是整體性加強(qiáng)了局部截面高度，而不是增加了傳力路徑。所以，以往的力學(xué)界對傳力路徑的研究并未非常深入。至于定量的研究多條可能的傳力路徑的剛度敏感性就更加少見。

5 小結(jié)

本文對調(diào)速開關(guān)面蓋卡扣安裝斷裂原因進(jìn)行分析，首先利用FEA軟件計(jì)算了調(diào)速開關(guān)旋鈕支架壓入力進(jìn)行了分析，然后利用CAE方法研究了三種不同的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路的效果，最后用傳力路徑分析法對第三種優(yōu)化思路的效果原理進(jìn)行了解釋。建立了一種解決應(yīng)力過大問題的全新的方法論，對本公司的其它產(chǎn)品設(shè)計(jì)的應(yīng)力設(shè)計(jì)具有很高的參考價(jià)值。

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)。