一種窗簾收卷裝置有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

張 斐，陳 里，孫 偉，荊 瑩，包西平

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州 221140）

0 引言

現(xiàn)在樓房是近花園式設(shè)計(jì)，其中低樓層周圍會(huì)有來往人流、車流，傳統(tǒng)窗簾收卷方式主要為左右移動(dòng)式和上卷式，當(dāng)打開窗戶時(shí)，窗戶的一側(cè)，比如左右移動(dòng)式的左側(cè)或右側(cè)、上卷式的下側(cè)均處于暴露位置，來往人流、車流會(huì)觀察到室內(nèi)情況，影響室內(nèi)的隱秘性，而從上往下收卷的一種感光升降窗簾就能夠在不影響室內(nèi)采光的同時(shí)保護(hù)室內(nèi)的隱秘性。窗簾收卷裝置是非常重要的部件，在窗簾運(yùn)動(dòng)的過程中，窗簾收卷裝置需要傳遞電機(jī)送出的動(dòng)力帶動(dòng)其他零件，窗簾需要收卷在窗簾收卷裝置的傳動(dòng)軸上，收卷裝置還要承受窗簾的重量和電機(jī)的扭矩，對(duì)收卷裝置的剛度和強(qiáng)度具有一定的要求；考慮到感光升降窗簾作為日常使用的產(chǎn)品，窗簾收卷裝置也必須滿足一定的耐用性。本文將使用ANSY Workbench 軟件分析得出云圖，判斷窗簾收卷裝置的強(qiáng)度和剛度能否達(dá)標(biāo)；在剛、強(qiáng)度達(dá)標(biāo)的情況下，針對(duì)窗簾收卷裝置的耐用性進(jìn)行優(yōu)化和仿真[1]。

1 模型創(chuàng)建與簡(jiǎn)化

本文中的模型是使用Creo 軟件進(jìn)行創(chuàng)建，以“mmns_part_solid”為模板。模型主要由電機(jī)、窗戶、聯(lián)軸器、傳動(dòng)軸、同步輪、同步輪支架、收集盒、調(diào)節(jié)板、調(diào)節(jié)桿和清理毛墊的模型組成；將各個(gè)模型進(jìn)行組裝，模板為“mmns_asm_design”，組成收卷裝置、清理裝置、同步輪組和收集盒4個(gè)裝配體，最后將它們組合，生成一個(gè)裝配體文件[2]。

為降低有限元分析難度，加快分析進(jìn)程，對(duì)模型多余的、不需要分析的部分進(jìn)行簡(jiǎn)化，將收集盒和清理裝置分別隱藏，將簡(jiǎn)化后的模型文件保存為stp 文件，供ANSY Workbench軟件進(jìn)行有限元分析[3]。

2 窗簾收卷裝置有限元分析和優(yōu)化

2.1 幾何模型

如圖1 所示，首先將建好的幾何模型導(dǎo)入有限元分析軟件中，將收卷裝置的材料設(shè)置為5083鋁合金，其性能參數(shù)如表1所示[4]。

圖1 模型圖

圖2 網(wǎng)格劃分圖

表1 5083鋁合金設(shè)置參數(shù)

2.2 網(wǎng)格劃分

進(jìn)行網(wǎng)格劃分，首先定義網(wǎng)格相關(guān)度為60，定義劃分質(zhì)量為Medium，定義劃分方法為Hex Dominant Method，定義網(wǎng)格大小為15 mm，具體示意圖如圖2所示[5]。

因?yàn)榇昂熓站硌b置模型比較規(guī)則，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，可以選擇六面體形式的網(wǎng)格進(jìn)行劃分。

網(wǎng)格尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果的準(zhǔn)確度有很大影響。尺寸過大會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)分析結(jié)果不準(zhǔn)確；尺寸過小會(huì)導(dǎo)致每次的計(jì)算分析時(shí)間較長(zhǎng)。綜合考慮以上因素，本次分析選擇一個(gè)比較折中的尺寸，即15 mm，在不影響結(jié)構(gòu)分析結(jié)果的前提下，最大程度減少了結(jié)構(gòu)的計(jì)算時(shí)間[6]。

通過網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)信息可以看到，該模型節(jié)點(diǎn)數(shù)量為111920個(gè)，總單元數(shù)量為19265個(gè)，如圖3所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)與總單元數(shù)量截圖

2.3 約束及載荷施加

本次分析模擬窗簾收卷裝置頂部稱重2.7 kg，下面電機(jī)承受1.5 N·m 扭矩的工況。具體約束和加載情形如圖4～5 所示，與實(shí)際情形相符[7]。

圖4 施加載荷的側(cè)視圖

圖5 施加載荷的主視圖

2.4 結(jié)構(gòu)變形結(jié)果

所有前處理設(shè)置完成之后，就可以對(duì)模型查看結(jié)果。計(jì)算完成之后，選擇查看模型的等效應(yīng)力（Equivalent Stress）云圖和總的變形量（Total Deformation）云圖，如圖6～7 所示。首先查看窗簾收卷裝置的變形結(jié)果。通過圖7可以看出，結(jié)構(gòu)的最大位移僅為4.4786×10-3mm，發(fā)生在窗簾收卷裝置聯(lián)軸器靠近電機(jī)的一端，滿足剛度要求。

在窗簾收卷裝置其他位置，結(jié)構(gòu)變形量很小，都不超過，1.4431×10-3mm，滿足剛度要求[8]。

圖6 整體變形量云圖

圖7 最大變形量云圖

2.5 結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果

圖8 整體等效應(yīng)力云圖

計(jì)算完成之后，選擇查看模型的等效應(yīng)力（Equivalent Stress）云圖，如圖8 所示。通過查看結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖可以看出，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為10.213 MPa，遠(yuǎn)小于窗簾收卷裝置使用材料的許用應(yīng)力（145 MPa）[1]，發(fā)生在窗簾收卷裝置的聯(lián)軸器靠近同步輪的一端，具體位置如圖9所示。

圖9 最大等效應(yīng)力云圖

綜上所述，在承受上述載荷的工況下，結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生塑性變形，強(qiáng)度可以通過。

2.6 優(yōu)化與仿真

根據(jù)圖7，發(fā)生的最大變形雖然很小，僅為4.4786×10-3mm，但是發(fā)生的位置在聯(lián)軸器和電機(jī)附近。在長(zhǎng)期的使用中，微小的變形量可能會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)軸、聯(lián)軸器和電機(jī)輸出軸的磨損，需要在已有的電機(jī)支架的基礎(chǔ)上，在傳動(dòng)軸的另一端增加支撐架，以此來約束在窗簾收卷裝置的運(yùn)行過程中聯(lián)軸器發(fā)生的變形。

將優(yōu)化后的模型在Creo軟件中進(jìn)行仿真分析。進(jìn)入應(yīng)用程序欄中的“機(jī)構(gòu)”中，定義伺服電動(dòng)機(jī)，選擇設(shè)置好的在電機(jī)輸出軸的銷釘約束，在配置文件詳情中將“角位置”改為“角速度”，系數(shù)設(shè)置為180 deg/sec，如圖10所示。在機(jī)構(gòu)分析的類型當(dāng)中將“位置”改為“運(yùn)動(dòng)學(xué)”，如圖11 所示。模擬出窗簾收卷裝置運(yùn)行情況，啟動(dòng)模型，優(yōu)化后的模型能夠正常運(yùn)行，在運(yùn)行過程中Creo 軟件沒有出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)的情況，各零件間也沒有出現(xiàn)不符合實(shí)際的接觸和干涉，窗簾收卷裝置的設(shè)計(jì)符合實(shí)際，且能正常運(yùn)行。收卷裝置運(yùn)動(dòng)仿真圖如圖12所示。

圖10 配置文件詳情

2.7 結(jié)果分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)變形結(jié)果和結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果，窗簾收卷裝置的強(qiáng)、剛度都達(dá)到了需要的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)的最大變形量出現(xiàn)的部位在聯(lián)軸器靠近電機(jī)的一端，而結(jié)構(gòu)受到的最大應(yīng)力則出現(xiàn)在聯(lián)軸器靠近同步輪的一端。為了減少窗簾收卷裝置在長(zhǎng)期運(yùn)行中聯(lián)軸器和電機(jī)輸出軸的磨損，提高窗簾收卷裝置的耐用性，增加了支撐架進(jìn)行約束。根據(jù)仿真分析的結(jié)果，窗簾收卷裝置的仿真模型運(yùn)行正常，各零件間的運(yùn)行情況也符合實(shí)際，模型沒有出現(xiàn)不符合實(shí)際的接觸和干涉。

圖11 分析定義

圖12 收卷裝置運(yùn)動(dòng)仿真

3 結(jié)束語

本文對(duì)一種窗簾收卷裝置進(jìn)行了有限元分析，得知結(jié)構(gòu)的最大變形量和最大受力都處于聯(lián)軸器位置，根據(jù)有限元分析結(jié)果，窗簾收卷裝置的剛度、強(qiáng)度都達(dá)到所需標(biāo)準(zhǔn)，并且在此基礎(chǔ)上增加了支撐架進(jìn)行約束。最后通過仿真分析模擬結(jié)構(gòu)的運(yùn)行情況，模擬出的模型運(yùn)行情況符合實(shí)際情況，驗(yàn)證和模擬了窗簾收卷裝置設(shè)計(jì)的可行性[9]。