烹飪器具卡扣CAE 簡化仿真 分析方法研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

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一、引言

隨著全民生活水平的提高，廚房電器已不再僅滿足基本烹飪需求的“剛需”，而是逐漸演變?yōu)樘嵘蛹移肺逗蜐M足生活多元化需求的“添加劑”，除了專注電器本身的功能外，更加注重電器帶來的生活便捷性和簡約時尚。

2017年第一季度，嵌入式一體機(jī)市場規(guī)模達(dá)到1.5億臺，同比增長426.8%。在各種一體機(jī)中，具有蒸煮功能的產(chǎn)品表現(xiàn)尤為突出，零售量占比已由2016年1月的1.78%增長至2017年1月的45.73%，為一體機(jī)品類中的重要主銷產(chǎn)品。此類產(chǎn)品的主要功能部件是蒸箱，蒸箱由卡扣固定，卡扣的壽命對蒸箱整體使用壽命影響很大。

在本次分析的模型中有一種儲水結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)由水箱和外框支撐部件組成，其結(jié)構(gòu)類似抽屜結(jié)構(gòu)。不同的是，在水箱底部有一個凹槽，與凹槽相連接的部位是一個凸起的卡扣?？垡环矫婵梢远ㄎ凰潢P(guān)閉時候的位置作用，另一方面在水箱關(guān)閉的時候提供一個向上的彈力，從而輔助水箱歸位，限制水箱位移以及固定水箱。有了這個結(jié)構(gòu)，即便產(chǎn)品的安裝角度不在水平面上，也可以保證水箱的順利歸位與正常工作。所以卡扣的設(shè)計對整個產(chǎn)品至關(guān)重要。

通常對于水箱卡扣的設(shè)計都是先設(shè)計，制作樣機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)來判定設(shè)計是否合理，但是實(shí)驗(yàn)有相關(guān)的局限性，例如，實(shí)驗(yàn)無法判斷哪里的結(jié)構(gòu)比較薄弱，只能看到最后斷裂的位置，實(shí)驗(yàn)無法給出如何優(yōu)化，現(xiàn)設(shè)計方案只能保證在實(shí)驗(yàn)測定的使用次數(shù)（開起水箱關(guān)閉水箱次數(shù)）內(nèi)，卡扣不會出現(xiàn)問題。而通過仿真分析，上述問題完全可以得到解決。

應(yīng)用仿真面臨的問題有兩方面，一是仿真時間過久，大部分時間都在前處理中浪費(fèi)；另一個是仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性始終讓很多工程師懷疑。

本文針對卡扣設(shè)計，提出兩種解決方法：一是通過簡化卡扣分析模型，減少前處理時間，減少計算時間；二是簡化的模型必然導(dǎo)致仿真結(jié)果的不準(zhǔn)確，為了彌補(bǔ)仿真精度的降低，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真方法的校核，當(dāng)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)果與仿真結(jié)果趨于一致的時候，即可判定本文中所述的方法可以用于此類產(chǎn)品卡扣設(shè)計與分析。從而為相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計提供一種準(zhǔn)確的仿真方法流程，以便輔助產(chǎn)品設(shè)計，減少產(chǎn)品開發(fā)周期。

二、有限元模型的建立

根據(jù)某型號產(chǎn)品結(jié)構(gòu)三維模型，先將模型進(jìn)行簡化，簡化前后的模型如圖1和圖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Frictionless。模擬水箱由圖1所示位置拉出的過程中，水箱和卡扣的應(yīng)力情況，模擬拉出過程中拉出力的情況。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Z軸正方向移動45mm，用來模擬水箱拉出的整個過程。針對簡化后的模型，對各部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格大小為1mm，單元數(shù)量253 175個。網(wǎng)格模型如圖6所示，網(wǎng)格質(zhì)量如圖7所示。

圖1 水箱和固定架示意圖

圖2 簡化模型

圖3 接觸面

圖4 固定約束面

圖5 定義位移

圖6 網(wǎng)格模型

圖7 網(wǎng)格質(zhì)量

三、求解及材料設(shè)定

定義材料參數(shù)，卡扣為PC材料，取彈性模量為2 300 MPa，泊松比為0.39。水箱為PA6材料，彈性模量為2 000MPa，泊松比為0. 386。兩種材料的摩擦系數(shù)為0.38。

在求解設(shè)定中，將Auto Time Stepping打開，定義子步設(shè)置，初始迭代步為30步。

四、仿真計算結(jié)果

仿真分析中，模擬了水箱拉出過程，為了節(jié)省仿真分析時間，本次分析采用了簡化模型的方法，不僅降低了網(wǎng)格數(shù)量，而且也節(jié)省了計算時間，也為今后工程師快速預(yù)測產(chǎn)品性能提供參考。

根據(jù)所得結(jié)果，首先查看變形圖，如圖8所示，通過變形圖可以很直觀地看出水箱是否完全拉出，以及所得結(jié)果是否真實(shí)可靠。圖8所示最大位移為水箱沿著Z軸方向移動45mm，與最初始的設(shè)定值相同，可以判斷結(jié)果可靠。

查看應(yīng)力情況，本次分析帶有接觸，可以查看整個拉出過程中卡扣和水箱的應(yīng)力情況，如圖9所示。表1列出圖9中每個采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，根據(jù)表1中數(shù)據(jù)可以得出，拉出過程中的最大應(yīng)力是109.85MPa，發(fā)生在卡扣轉(zhuǎn)角處，如圖10所示標(biāo)注Max部分，此時卡扣根部應(yīng)力為73.189MPa，為比較危險容易發(fā)生破壞處。圖11為水箱應(yīng)力結(jié)果，表2為拉出過程中水箱最大應(yīng)力與時間的關(guān)系，圖12為水箱在整個拉出過程中的應(yīng)力隨著時間的變化情況，由于水箱的應(yīng)力較小，本文中不考慮水箱的破壞。表3中為拉出過程中的拉出力大小，由于本次分析約束了X軸Y軸的位移，所以只考慮Z軸方向的拉出力大小即可。可以看到最大的拉出力為10.199N。

圖8 水箱位移圖

圖9 拉出過程中的最大應(yīng)力情況

表1 拉出過程中的最大應(yīng)力與時間關(guān)系

序號 Time [s] Maximum [MPa]12 0.925 3.67E-02 13 1 3.66E-02

圖10 卡扣應(yīng)力結(jié)果圖

圖11 水箱的應(yīng)力情況

表2 拉出過程中水箱最大應(yīng)力與時間的關(guān)系

圖12 拉出力隨時間變化曲線

表3 拉出過程中的拉出力

四、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)驗(yàn)證用。實(shí)驗(yàn)分以下兩部分進(jìn)行：

第一部分是將外框固定，用機(jī)械手反復(fù)推拉水箱，從而反復(fù)按壓卡扣，實(shí)驗(yàn)分析最開始斷裂的位置卡扣根部圖13中如圈1位置所示，磨損最嚴(yán)重的位置如圈2位置所示。實(shí)驗(yàn)指定推拉3萬次后，查看卡扣損壞情況，試驗(yàn)后的結(jié)果如圖13所示。

圖13 實(shí)驗(yàn)后的損壞情況

第二部分實(shí)驗(yàn)是在第一實(shí)驗(yàn)開始前，用拉力計測量水箱拉出力的大小，因?yàn)槔τ嫊詣佑涗浝鲞^程中最大的力，所以可以用拉力計的讀數(shù)與仿真最大應(yīng)力做對比，從而驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性。圖14所示拉力計拉出力大小為22N和20N，兩次測量取平均值為21N。

圖14 實(shí)驗(yàn)測得拉出力

五、結(jié)論

本文對某型號產(chǎn)品蒸箱卡扣進(jìn)行了仿真分析，通過仿真分析預(yù)測了卡扣作用下的水箱拉出力為10.199N（一個卡扣作用），因?yàn)槟Ｐ瓦M(jìn)行了簡化，所以兩個卡扣同時作用的時候，拉出力為20.398N。實(shí)驗(yàn)測量兩次分別為22N和20N拉力，取平均值為21N。根據(jù)以上數(shù)據(jù)對比可以得出仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常接近，誤差為2.9%。

通過對卡扣進(jìn)行損耗實(shí)驗(yàn)，對比圖10、圖11和圖13，可以看出仿真中應(yīng)力最大處皆是實(shí)驗(yàn)中磨損最大位置。

通過以上結(jié)論可以得出，應(yīng)用本文中的簡化方法進(jìn)行蒸箱卡扣仿真分析可以得到準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果，蒸箱卡扣設(shè)計過程中，可以使用本文中的方法進(jìn)行輔助設(shè)計，以便快速發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，并改進(jìn)設(shè)計。