基于有限元分析的鈑金件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響因素的研究

司貴海，黃啟釗，孫保濤，陶宣彤

（1.株洲變流技術(shù)國家工程研究中心有限公司，株洲 412001； 2.株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司, 株洲 412007）

引言

目前，鈑金件是構(gòu)成電氣柜柜體的主要部件，其主要是通過沖壓、折彎和焊接等工藝將金屬薄板加工成不同形狀的結(jié)構(gòu)，使其具備一定的強(qiáng)度，能夠承受一定的重量[1]。在傳統(tǒng)的鈑金件設(shè)計(jì)過程中，由于電氣柜柜體較為簡單，鈑金件的結(jié)構(gòu)也較為簡單，設(shè)計(jì)人員往往采用增加鈑金的厚度來提高其強(qiáng)度，從而使柜體能夠承擔(dān)更多的重量[2]。但是隨著技術(shù)水平的發(fā)展，電氣柜功率越來越大，結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，而對其輕量化、美觀化及可維護(hù)化的要求也越來越高。此時(shí)只采用增加鈑金件厚度的方法去提高其強(qiáng)度已無法滿足需求，因此，對板件件其他提高強(qiáng)度的方法進(jìn)行研究分析是非常有必要的。

1 鈑金件模型設(shè)計(jì)及有限元處理

在三維軟件中設(shè)計(jì)了鈑金件三維模型，其長寬尺寸為：1 000 mm*500 mm，左右兩邊各有25 mm高的折邊，每個(gè)折邊通過5顆M6的螺栓固定在柜體框架上（此處柜體框架沒有展現(xiàn)出來），前后邊上各有25 mm的折邊，如圖1所示。在有限元分析軟件中對三維模型進(jìn)行了抽中面處理，然后對模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，處理后的鈑金有限元模型如圖2所示。

圖1 鈑金件三維模型圖

圖2 鈑金件有限元模型

在有限元分析軟件中對有限元模型進(jìn)行約束處理，對其左右兩邊的螺絲孔進(jìn)行固定約束，模擬其固定在柜體框架上；在其上表面施加150 kg的質(zhì)量點(diǎn)，模擬其上表面安裝有一個(gè)150 kg的部件，處理后的鈑金計(jì)算模型如圖3所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果所得，此鈑金件最大等效應(yīng)力為306.21 MPa，通過分析局部受力圖（見圖4）可知，306.21 MPa的等效應(yīng)力只出現(xiàn)在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，其周圍區(qū)域的等效應(yīng)力會(huì)直接降到270 MPa左右，由此可分析，306.21 MPa是一個(gè)應(yīng)力奇點(diǎn)，此鈑金件真實(shí)的最大等效應(yīng)力應(yīng)為（238.17～272.19）MPa之間，按照最大值取為272.19 MPa[3]。

圖3 鈑金件計(jì)算模型圖

圖4 鈑金件局部受力圖

2 不同設(shè)計(jì)因素對鈑金件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響

2.1 不同鈑金厚度對其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響

為研究不同鈑金厚度對其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，本小節(jié)對同一種鈑金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了4種不同的鈑金厚度，具體模型說明見表1；

表1 不同鈑金厚度說明

根據(jù)前面方法對4種不同厚度的鈑金結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，并提取了相應(yīng)的等效應(yīng)力，并根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算了安全系數(shù)，其結(jié)果見圖5。

圖5 受力結(jié)果

分析受力結(jié)果可知，隨著鈑金厚度的增加，其等效應(yīng)力在減小，其安全系數(shù)增加，即其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在增強(qiáng)。但是，其比例系數(shù)并不是成線性變化的，而是呈逐步減小的變化趨勢，也就是說，隨著鈑金厚度的增加，其對強(qiáng)度的提升是逐步減小的。因此，在傳統(tǒng)鈑金設(shè)計(jì)中，單純依靠提升鈑金厚度來提升強(qiáng)度其性價(jià)比會(huì)逐步降低。

2.2 不同折邊長度對其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響

因加工工藝的需求，目前《鈑金設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定了不同厚度鈑金的最小折邊長度[4]，但是對于不同折邊長度對于其強(qiáng)度的影響缺乏基本的研究。為研究不同折邊長度對其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，本小節(jié)對同一種鈑金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了5種不同的折邊長度，具體模型說明見表2；

表2 不同折邊長度說明

根據(jù)前面方法對5種不同模型進(jìn)行了有限元分析，并提取了相應(yīng)的等效應(yīng)力，并根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算了安全系數(shù)，其結(jié)果見圖6。

圖6 受力結(jié)果

分析結(jié)果可知：①鈑金折邊對于其強(qiáng)度的增強(qiáng)有著較大的作用；②折邊長度與其強(qiáng)度成正比關(guān)系，但是比列系數(shù)是減小的。對于2.5 mm厚的鈑金，25 mm的折邊長度是最經(jīng)濟(jì)的。

2.3 不同折邊形狀對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響

為研究不同折邊形狀對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，本小節(jié)設(shè)計(jì)了兩種不同折邊形狀的模型，一種為25 mm長的直角折邊，另一種為25 mm+25 mm的兩道直角折邊，具體模型見圖7。

圖7 不同折邊形狀模型

利用有限元分析方法對這兩種模型進(jìn)行了強(qiáng)度分析，并提取了相應(yīng)的等效應(yīng)力，并根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算了安全系數(shù)，其結(jié)果見表3。

表3 受力結(jié)果

分析結(jié)果可知，折邊形狀對于強(qiáng)度的影響不大，且兩道直角折邊會(huì)造成材料成本及制造成本的上升，因此不建議通過此方案提高鈑金件的強(qiáng)度。

2.4 不同固定方式對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響

對于同一個(gè)鈑金件有多種固定方式，但對于不同固定方式對強(qiáng)度影響的研究卻少之又少。為研究不同固定方式對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，本小節(jié)設(shè)計(jì)了5種固定方式，具體模型說明見表4；

表4 模型說明

利用有限元分析方法對這5種模型進(jìn)行了強(qiáng)度分析，并提取了相應(yīng)的等效應(yīng)力，并根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算了安全系數(shù)，其結(jié)果見圖8；

圖8 受力結(jié)果

分析結(jié)果可知：①固定鈑金長邊比固定鈑金短邊能夠提升一定的強(qiáng)度；②固定鈑金四周對鈑金的強(qiáng)度有較大幅度的提升，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量將鈑金的四周全部固定起來；③當(dāng)在鈑金某個(gè)點(diǎn)單獨(dú)增加固定點(diǎn)時(shí)，會(huì)降低其局部強(qiáng)度。

3 結(jié)論

根據(jù)以上分析結(jié)果可知，對于鈑金件，可以通過增加鈑金厚度、增加折邊長度及增加固定點(diǎn)這3種方式來提高其強(qiáng)度，其優(yōu)缺點(diǎn)如下：

1）增加鈑金厚度是提高強(qiáng)度最簡單的方式，其不需要改變鈑金的結(jié)構(gòu)，但是其比例系數(shù)并不是成線性變化的，而是呈逐步減小的變化趨勢。而且在一些鈑金制造商，當(dāng)鈑金厚度小于3 mm時(shí)，可用沖壓機(jī)床進(jìn)行鈑金加工，否則，只能用激光機(jī)床進(jìn)行加工。因此，單獨(dú)依靠增加厚度來提升強(qiáng)度會(huì)增加整體產(chǎn)品的重量和增加產(chǎn)品制造成本。

2）增加鈑金折邊長度可適當(dāng)?shù)奶岣邚?qiáng)度，且不會(huì)增加太多的重量，但有時(shí)會(huì)受到安裝空間的制約；

3）增加固定點(diǎn)，特別是在鈑金的四周增加固定點(diǎn)，可有效提高強(qiáng)度，但是容易受到安裝空間的制約。

綜上所述，但鈑金厚度較薄，低于2.5 mm時(shí)，可直接通過增加鈑金的厚度來提升強(qiáng)度。當(dāng)鈑金件的厚度大于2.5 mm時(shí)，通過增加厚度來提升強(qiáng)度的左右會(huì)變小，且會(huì)增加制造費(fèi)用。此時(shí)，可結(jié)合使用增加折邊長度和增加固定點(diǎn)的方法進(jìn)行鈑金強(qiáng)度的優(yōu)化，這樣可有效提升整柜的強(qiáng)度且不會(huì)增加太多的重量。在產(chǎn)品優(yōu)化方面，可采用增加折邊長度和增加固定點(diǎn)的方法，在保持鈑金現(xiàn)有強(qiáng)度不降低的情況下，將鈑金的厚度減小，這樣可以減少鈑金重量，減少制造成本。若能將整柜的鈑金件統(tǒng)型成2種厚度，將會(huì)提高原材料利用率及加工效率，可有效地降低鈑金制造成本。