主動拆卸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用

魏俊杰, 劉志峰, 劉光復(fù), 李新宇, 趙流現(xiàn)

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽合肥 230009)

主動拆卸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用

魏俊杰, 劉志峰, 劉光復(fù), 李新宇, 趙流現(xiàn)

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽合肥 230009)

將形狀記憶合金材料制成的彈簧-箔片式主動拆卸結(jié)構(gòu)應(yīng)用于傳統(tǒng)的遙控器上,可以實(shí)現(xiàn)遙控器產(chǎn)品的主動拆卸。為了研究結(jié)構(gòu)的主動拆卸效果,文章在UG中建立了該遙控器的幾何模型,然后將該模型導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行分析,重點(diǎn)分析了影響遙控器主動拆卸效果的主要因素,包括箔片作用力的大小和布置位置、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以及材料性能等;通過模擬分析得出了改善主動拆卸效果的方法和措施,為其它主動拆卸產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了參考。

主動拆卸結(jié)構(gòu);拆卸效果;有限元分析;優(yōu)化方法

0 引 言

隨著材料技術(shù)的發(fā)展,形狀記憶材料的用途越來越廣泛[1,2],將形狀記憶材料用于電子電器產(chǎn)品上,通過改善或改變原來結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)電子電器產(chǎn)品的主動拆卸[3-6]。使用主動拆卸結(jié)構(gòu)可以大大提高產(chǎn)品的拆卸效率及回收利用率,并且可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模拆卸,最大限度地減少回收成本,這無疑會在節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境等方面有著重大意義,因此,研究和設(shè)計(jì)主動拆卸結(jié)構(gòu)就顯得日益重要。隨著CAD/CAE功能的日益強(qiáng)大,通用CAD軟件與有限元分析軟件的集成使用也越加緊密,用CAD軟件完成零部件的造型設(shè)計(jì)后,可以直接將模型傳送到CAE軟件中進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分和分析計(jì)算。如果分析的結(jié)果不能滿足設(shè)計(jì)要求,則只需改變部分參數(shù)就可以修改模型重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析,直到滿意為止,極大地提高了設(shè)計(jì)效率[7-9]。本文以遙控器產(chǎn)品為例,借助UG軟件對遙控器外殼進(jìn)行參數(shù)化建模[10],然后導(dǎo)入CAE分析軟件ANSYS中模擬其受力變形。通過模擬分析得出改善主動拆卸效果的方法和措施,為進(jìn)一步研究和設(shè)計(jì)主動拆卸結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。

1 實(shí)現(xiàn)主動拆卸原理

現(xiàn)有的遙控器外殼多采用非拆卸型卡扣連接,人工拆卸效率很低。圖1所示為遙控器外殼卡扣連接示意圖,要使遙控器外殼分離,首先要提供一個水平方向的力F使卡扣脫開,再提供一個垂直方向的力P使外殼分開。

圖1 遙控器卡扣連接示意圖

選用形狀記憶合金(shapememory alloy,簡稱SMA)制成箔片來提供水平方向的驅(qū)動力F。該箔片的材料為Ni-Ti記憶合金,箔片在常溫下為直條形狀,當(dāng)外界環(huán)境改變時會發(fā)生變形,箔片由直條形變成波浪形。

變形前后如圖2所示,箔片通過變形可以提供拆卸所需的驅(qū)動力以及變形所需要的位移。形狀記憶材料的變形驅(qū)動應(yīng)力可達(dá)500 MPa。

圖2 變形前后的形狀記憶合金箔片

選用形狀記憶合金制成的螺旋形彈簧來提供垂直方向的作用力P,當(dāng)外界環(huán)境改變時彈簧由壓縮變?yōu)樯煺範(fàn)顟B(tài)提供力P。將箔片與彈簧配合使用,一個提供拆卸水平方向的作用力,一個提供垂直方向的作用力,即可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的主動拆卸。

2 遙控器模擬分析過程

2.1 建立遙控器結(jié)構(gòu)的幾何模型

選用熊貓Ⅰ型號的遙控器,在UG中建立其簡化模型,設(shè)遙控器前后、左右是對稱的結(jié)構(gòu),因此只需建立其結(jié)構(gòu)的1/4模型,圖3所示為遙控器前蓋和后蓋的裝配圖。遙控器主要尺寸:前蓋長寬高為180 mm×60 mm×9mm,底厚1 mm,周邊厚 2.2 mm;后蓋長寬高為 180 mm×60mm×9mm,底厚1mm,周邊厚2.2mm,卡勾的高為0.5 mm。

圖3 遙控器前后蓋裝配圖

2.2 將幾何模型導(dǎo)入ANSYS

將建立好的模型用ANSYS軟件打開,步驟如下:file→im port→UG。

2.3 設(shè)定單元和材料屬性并劃分單元網(wǎng)格

單元選用solid185單元,設(shè)置材料的彈性模量為1.2GPa,材料的泊松比為0.3。

2.4 添加約束和載荷

在2個對稱的邊上施加對稱約束,載荷的施加分2種情況:一種是施加位移載荷以求得作用力的大小;另一種是在布置箔片的位置上,根據(jù)力的大小分別施加面載荷以求得位移量。

2.5 求解分析

求解后進(jìn)入后處理器,根據(jù)需要可以得到應(yīng)變云圖和不同位置處的應(yīng)變量。

3 遙控器拆卸影響因素及其優(yōu)化分析

該遙控器采用非拆卸型平面鎖緊卡扣連接,若要實(shí)現(xiàn)遙控器的主動拆卸,只要在遙控器前蓋和后蓋的結(jié)合面上布置箔片就可以使卡扣分離。影響前、后蓋變形量大小的因素主要有:

(1)作用力的大小和位置,即箔片的驅(qū)動力大小及布置位置。

(2)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu),主要包括厚度、高度、寬度等。

(3)材料的屬性,主要包括彈性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)等。

由于材料屬性基本是固定不變的,因此,下面主要針對前2種因素對主動拆卸效果所產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。

3.1 箔片作用力的大小和位置對變形量的影響

遙控器在箔片的作用下,前、后蓋同時變形,卡勾的高度為0.5mm,因此,當(dāng)總變形量B＞0.5 mm,卡扣就可能脫開。總變形量為前、后蓋變形量相加。設(shè) A點(diǎn)是箔片與卡扣之間的任意一點(diǎn),A點(diǎn)到箔片的距離為L,不同L值即可看作箔片與卡扣的不同的相對位置。當(dāng)其它條件(尺寸,材料的彈性模量取1.2GPa,泊松比取0.3)不變時,研究不同的F和L下的卡扣處的變形情況。在有限元分析軟件中對遙控器進(jìn)行變形分析,根據(jù)上述遙控器模擬分析過程可以得到應(yīng)變云圖,如圖4所示,從應(yīng)變云圖中可以看出整個遙控器的變形情況。

圖4 遙控器前后蓋應(yīng)變云圖

對給定不同的F和L值進(jìn)行分析,F分別取作用力 5、10、15 N 。L 分 別取 5、10、15、20、25 mm。根據(jù)上述遙控器模擬分析過程,通過加載不同F(xiàn)并測得不同L處的變形得出數(shù)據(jù),見表1所列。

由表1中的數(shù)值得出不同F(xiàn)值的總變形量圖,如圖5所示。

表1 不同F(xiàn)下前后蓋變形量 mm

從表1可以看出,該遙控器在5 N作用力下最大變形量只有0.45 mm,在該作用力下,不論如何改變布置位置都不能使遙控器實(shí)現(xiàn)主動拆卸。當(dāng)力增大為 10 N時,在5 mm處的變形量為0.9mm。當(dāng)力增大為15 N時,在5mm處的變形量達(dá)1.33 mm。但是隨著L的增大也會使主動拆卸失效,在15N的作用力下,25mm處的變形量為0.45 mm,小于發(fā)生主動拆卸的最小變形量。

由圖5可以看出,在F不變時,變形量隨著距離L的增加而減少,變形量的大小和L基本成反比關(guān)系;在L不變時,變形量隨著力F的增加而增加,變形量的大小和力F基本成正比關(guān)系。因此,在布置箔片時,箔片的位置應(yīng)盡量靠近卡扣連接處以獲得較大的變形量。當(dāng)改變位置也不能滿足變形量時,可適當(dāng)增加箔片驅(qū)動力。

圖5 作用力為5、10、15 N的總變形量

3.2 遙控器結(jié)構(gòu)尺寸對變形的影響

從箔片對遙控器的作用情況可以看出,遙控器結(jié)構(gòu)尺寸和局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也會對變形量產(chǎn)生很大影響。箔片到底邊的距離即遙控器的高度 H可以近似地看成是箔片作用力的力臂,H的大小會直接影響變形量的大小。下面重點(diǎn)研究遙控器高度H對變形量產(chǎn)生的影響。

將H為9.0、7.5mm的模型導(dǎo)入到ANSYS中,研究 L 分別為 5、10、15、20 、25 mm處的變形量。經(jīng)分析可以得出數(shù)據(jù),見表2所列。由表2中的數(shù)值得出 H分別為9.0、7.5mm的總變形量,如圖6所示。

表2 下同H下前后蓋變形量 mm

從表2可以看出,H為9.0mm的遙控器在L為10 mm的變形量為0.74mm,該變形量大于發(fā)生主動拆卸的最小變形量。但是,H為7.5 mm的遙控器在L為10 mm的變形量為0.47 mm,該變形量小于發(fā)生主動拆卸的最小變形量,不能實(shí)現(xiàn)主動拆卸。由圖6可以看出,在L不變時,變形量隨著距離H的增加而增加,變形量的大小和H基本上成正比比關(guān)系。因此,在設(shè)計(jì)時要考慮H的大小,這樣就能以較小的作用力產(chǎn)生較大的變形。另外,卡扣處的局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也會對變形量產(chǎn)生很大影響。局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越大變形量越小,越不利于實(shí)現(xiàn)主動拆卸。因此,在滿足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)使用強(qiáng)度可靠性的前提下,應(yīng)盡量減小局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以便更容易實(shí)現(xiàn)主動拆卸。

圖6 高度H為9.0、7.5 mm的總變形量

4 結(jié) 論

在遙控器中增加SMA彈簧-箔片式主動拆卸結(jié)構(gòu),可以很容易實(shí)現(xiàn)遙控器的主動拆卸。通過對遙控器建模并進(jìn)行有限元分析,可以很方便地研究遙控器主動拆卸的效果。通過對箔片作用力的大小和布置位置以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的研究,可以得出影響遙控器主動拆卸效果的主要因素及優(yōu)化方法。通過模擬分析,在設(shè)計(jì)類似遙控器主動拆卸產(chǎn)品時需要考慮以下因素:

(1)箔片的位置應(yīng)盡量靠近卡扣連接處,這樣可以獲得更好的主動拆卸效果。

(2)當(dāng)改變箔片的作用位置,仍然不能實(shí)現(xiàn)主動拆卸時,可以通過增加箔片驅(qū)動力的方法來實(shí)現(xiàn)。

(3)應(yīng)盡量增大箔片布置處力臂的大小,避免將箔片布置在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度過大的地方。

(4)為獲得最好的主動拆卸效果,要綜合考慮合理選用和布置箔片、合理設(shè)計(jì)和改進(jìn)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)等。

[1] 王 輝,陳再良.形狀記憶合金材料的應(yīng)用[J].機(jī)械工程材料,2002,26(3):5-8.

[2] 形狀記憶材料[M].張春才,蘇佳燦,譯.上海:第二軍醫(yī)大學(xué)出版社,2003:155-168.

[3] 劉志峰,李新宇,張洪潮.基于智能材料主動拆卸的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2009,45(10):192-197.

[4] 李新宇.基于智能材料的主動拆卸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與方法研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,2008.

[5] Chiodo JD,Anson A W,Billett EH,et al.Eco-design for active disassem bly using smart materials[C]//Proc Int Con feren ce on Shape Mem ory and Superelastic Technologies,1997:625-630.

[6] Chiodo J D,Boks C.Assessmen t of end-of-life strategies w ith active disassembly using smart materials[J].The Journal of Sustainable Product Design,2002,(2):69-82.

[7] 聰.機(jī)械CAD/CAE應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002:21-30.

[8] 聞 誠,宋守許,劉光復(fù),等.廢棄電路板 THD元器件拆除工藝的試驗(yàn)研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,33(1):1-4.

[9] 胡 迪,劉志峰,張 雷.PRO/E二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品拆卸仿真[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,32(1):109-112.

[10] 趙 波,張 琴.UG NX2相關(guān)參數(shù)化設(shè)計(jì)培訓(xùn)教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005:1-35.

Optim ization design method for active disassembly structure and itsapp lication

WEIJun-jie, LIU Zhi-feng, LIU Guang-fu, LIXin-yu, ZHAO Liu-xian

(School of Machinery and Automobile Engineering,H efei University of Technology,H efei 230009,China)

Installing the shape memory alloy(SM A)made sp ring-foil structure into traditional remote controller can realize active disassembly of remote control products.To study the effectsof active disassembly,a geometricmodel for a remote controller in UG isbuiltand analyzed by ANSYS.The factors influencing theeffectsof activedisassembly of the remote controller are discussed in detail,including the magnitude and layout of the foil force,the product structure and material properties.Through the sim ulation analysis,methods for im proving the effectiveness of active disassem bly are obtained,w hich providesa reference for the design of other active disassembly products.

active disassembly structure;disassembly effect;finite element analysis;optimization method

TH 122

A

1003-5060(2011)01-0006-04

10.3969/j.issn.1003-5060.2011.01.002

2010-01-13;

2010-02-22

國家自然科學(xué)基金科學(xué)部主任基金資助項(xiàng)目(50645020)

魏俊杰(1982-),男,安徽宿州人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生;

劉志峰(1963-),男,陜西寶雞人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師;

劉光復(fù)(1945-),男,遼寧開源人,合肥工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

(責(zé)任編輯 呂 杰)