某烹飪器具抽屜結構拉出過程仿真分析與實驗驗證

周唯儒 莫遠忠 朱麗珊 萬博臣

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

烹飪器具中有一種抽屜結構，這種結構由儲物抽屜和外框支撐部件組成。在抽屜底部有一個凹槽，與凹槽相連接的部位是一個凸起的卡扣，卡扣的作用一個是可以定位關閉時候的位置，另一個是在抽屜關閉的時候提供一個向上的彈力，從而輔助抽屜歸位，限制抽屜位移并固定抽屜。有了這個結構，即便產品的安裝角度不在水平面上，也可以保證抽屜的順利歸位與正常工作。

本文所涉及的卡扣是塑料材料，這種材料具有經濟性、柔韌性和注塑可行性。卡扣是簡單、快速和經濟的連接結構，主要通過卡與扣在裝配時的彈性變形和到位后的復原變形實現兩個部件的連接和固定。卡扣連接可以實現其連帶部件的多次分離和連接而不對產品結構產生影響[1]。

通常仿真分析都會簡化模型，處理掉模型細節[2]。目前已經有很多研究人員進行了卡扣的研究工作，模型的處理都進行了簡化[3-7]。本文通過使用Ansys Workbench軟件進行仿真，分析中沒有簡化模型，而是直接將原模型進行網格劃分處理，盡力保留模型的細節。通過在Ansys Workbench軟件中，定義整個拉出時間為10s，兩個分析步進行瞬態動力學分析，預測拉出力大小以及卡扣最大應力位置。通過實驗結果與仿真結果的對比，得出二者的差異，判定本文中所述的仿真參數可以用于此類產品卡扣設計與分析，從而為相關產品的設計提供一種仿真方法。

2 有限元模型的建立

根據某型號產品結構三維模型，先將模型進行切分，提取需要分析的模型如圖1、圖2所示。定義圖3中紅色面和藍色面為接觸面，接觸面之間的摩擦類型定義為無摩擦。在Ansys Workbench軟件中模擬抽屜由圖1所示位置拉出的過程中抽屜和卡扣的應力、變形以及拉出力大小。定義圖4中藍色面為固定約束面，定義圖5所示黃色面沿著圖示箭頭方向（黃色面的法向方向）移動10mm，移動分兩步進行，第一步移動0.1s，第二步移動9.9s，用來模擬抽屜拉出的整個過程。對各部件進行網格劃分，網格大小為抽屜2mm，框架3mm，劃分網格后的單元數量為2191359個，網格模型如圖6所示，網格質量如圖7所示。

圖2 抽屜和固定架模型圖2

圖3 接觸面設置

3 求解及材料設定

定義材料參數。抽屜為聚碳酸酯（PC）材料，取彈性模量為2300MPa、泊松比為0.39[5-8]。卡扣為聚酰胺-6（PA6）材料，取彈性模量2000MPa，泊松比為 0.386[9-10]。在求解設定中，定義兩步計算，第一步運動0.1s，子步定義為10，使接觸平穩的建立。第二步運動9.9s，子步定義30，整個過程模擬用10s的時間拉出抽屜10mm，卡扣被完全壓下的過程。設置完畢后導出文件為inp格式文件，提交云服務器進行計算。

圖4 固定約束面設置

4 仿真計算結果

本次仿真模擬了抽屜拉出的過程，為了更好的貼近真實情況，本次分析采用了不簡化模型的方法，從而導致了網格數量龐大，一共有2191359個單元，在112個核云計算平臺耗費了62.692小時計算完成。雖然計算機計算時間長，但是工程師的前處理時間很短，只用了2小時。

根據所得結果，首先查看變形圖。如圖8所示，卡扣已經被完全壓下，此時整個計算時間是10s，與初始設定的計算時間相同。圖9為卡扣在10s時的變形圖，從圖中可以得出，拉出過程中10s時刻的卡扣的變形最大為2.4989mm，篩選整個拉出過程中的變形數據（如表1所示），在拉出過程中，卡扣的最大變形為2.6256mm，變形方向為坐標系Y軸負方向。整理表1數據可以得到圖10所示的曲線圖，該圖可以直觀的表現拉出過程中，拉出時間與卡扣變形的關系。

圖11所示為整個拉出過程中卡扣的最大應力情況，根據圖中所示結果表明最大應力所處位置為卡扣加強筋根部，靠近卡扣與框架連接部位有39MPa，小于PC材料的屈服強度60MPa，在往復推拉抽屜的時候，此處容易因為應力集中產生開裂或者斷裂等破壞現象。

表1 拉出時間與卡扣變形的關系

圖5 定義位移方向和距離

圖6 網格模型

圖7 網格質量

圖8 抽屜位移圖

圖9 卡扣最大變形圖

表2列出了拉出過程中拉出力與拉出時間的關系數據，根據表中數據可以得出，拉出過程中的最大拉力是19.164N，發生在1.75s，整理表2中的數據可以得到圖12所示的曲線，由圖12可以很直觀的看出在剛拉出抽屜的時候，拉力波動比較大，在5.71s的時候，拉力趨于平穩接近0，此時卡扣已經被抽屜完全壓下，由于本次分析接觸為無摩擦（光滑）接觸，所以當卡扣被完全壓下后，拉出力接近0N。表2中拉出力的正值表示拉出力方向與Z軸正方向一致（圖8所示坐標軸方向），負值表示與Z軸反向一致。

5 實驗驗證

為了驗證仿真結果的真實性，根據三維圖進行了樣機的制作，用于實驗測試。實驗方法為固定約束樣機產品，然后用拉力計拉出抽屜，拉出過程盡量緩慢平穩勻速拉出，時間控制在10s拉出，拉出判斷為卡扣和抽屜完全分離，拉力計會自動記錄最大的拉力，實驗方法如圖13所示。圖14為拉出過程中拉出力的最大值，根據圖14所示，最大拉出力為20.5N。

表2 拉出力與時間關系

6 結論

本文對某烹飪器具抽屜結構拉出過程進行仿真分析，在仿真后根據三維模型制作了實物進行拉出力實驗。在盡可能保留模型細節的前提下，盡量對每個細節進行高度還原，沒有對模型進行通常CAE分析的模型簡化處理。目的是測試在不進行模型處理的前提下，仿真所耗用的時間和計算資源有多大，達到的仿真預測效果如何。通過仿真分析預測了卡扣工作時抽屜拉出力為19.164N，而后的實驗測量拉力為20.5N，仿真和實驗相差1.336N，根據以上數據對比可以得出仿真和實驗結果接近，差異為6.5%。

通過以上結論可以得出，應用本文中的仿真分析方法進行抽屜卡扣仿真分析可以得到接近于實驗值的預測結果。此種基于Ansys Workbench的分析方案可以應用于卡扣設計中，雖然仿真結果較為接近實驗測量值，但是消耗計算資源和計算時間的成本比較高。通過研究文中的應力和變形結果，可以很明顯看出在卡扣周圍的大部分框架結構的應力和變形幾乎為零。也就是說，此部分的結構還可以通過簡化方法進行模型簡化。對于仿真卡扣結構，工程師可以參考本文中的方案進行評估計算時間成本和前處理時間成本，如果前處理時間（模型簡化時間）過長，采用本文所述方案明顯要優于模型簡化方案。因為本文所述方案消耗人力成本較低，前處理只用了2個小時，大部分工作都由計算機承擔，在提交云計算后，節省的人力資源可以直接進行其他項目仿真。此方法為項目繁多的企業或者仿真工程師數量有限的企業提供一種可以借鑒的產品開發仿真分析方案。

圖10 拉出時間與卡扣變形的關系

圖11 卡扣最大應力圖

圖12 拉出力隨時間變化曲線

圖13 實驗測得拉出力方法示意圖

圖14 測得的拉出力值