一種窗簾收卷裝置有限元分析及結構優化

張 斐，陳 里，孫 偉，荊 瑩，包西平

（徐州工業職業技術學院，江蘇徐州 221140）

0 引言

現在樓房是近花園式設計，其中低樓層周圍會有來往人流、車流，傳統窗簾收卷方式主要為左右移動式和上卷式，當打開窗戶時，窗戶的一側，比如左右移動式的左側或右側、上卷式的下側均處于暴露位置，來往人流、車流會觀察到室內情況，影響室內的隱秘性，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采光的同時保護室內的隱秘性。窗簾收卷裝置是非常重要的部件，在窗簾運動的過程中，窗簾收卷裝置需要傳遞電機送出的動力帶動其他零件，窗簾需要收卷在窗簾收卷裝置的傳動軸上，收卷裝置還要承受窗簾的重量和電機的扭矩，對收卷裝置的剛度和強度具有一定的要求；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度和剛度能否達標；在剛、強度達標的情況下，針對窗簾收卷裝置的耐用性進行優化和仿真[1]。

1 模型創建與簡化

本文中的模型是使用Creo 軟件進行創建，以“mmns_part_solid”為模板。模型主要由電機、窗戶、聯軸器、傳動軸、同步輪、同步輪支架、收集盒、調節板、調節桿和清理毛墊的模型組成；將各個模型進行組裝，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個裝配體，最后將它們組合，生成一個裝配體文件[2]。

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

2 窗簾收卷裝置有限元分析和優化

2.1 幾何模型

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

圖1 模型圖

圖2 網格劃分圖

表1 5083鋁合金設置參數

2.2 網格劃分

進行網格劃分，首先定義網格相關度為60，定義劃分質量為Medium，定義劃分方法為Hex Dominant Method，定義網格大小為15 mm，具體示意圖如圖2所示[5]。

因為窗簾收卷裝置模型比較規則，在進行網格劃分時，可以選擇六面體形式的網格進行劃分。

網格尺寸對結構分析結果的準確度有很大影響。尺寸過大會導致結構分析結果不準確；尺寸過小會導致每次的計算分析時間較長。綜合考慮以上因素，本次分析選擇一個比較折中的尺寸，即15 mm，在不影響結構分析結果的前提下，最大程度減少了結構的計算時間[6]。

通過網格統計信息可以看到，該模型節點數量為111920個，總單元數量為19265個，如圖3所示。

圖3 節點與總單元數量截圖

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，與實際情形相符[7]。

圖4 施加載荷的側視圖

圖5 施加載荷的主視圖

2.4 結構變形結果

所有前處理設置完成之后，就可以對模型查看結果。計算完成之后，選擇查看模型的等效應力（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果。通過圖7可以看出，結構的最大位移僅為4.4786×10-3mm，發生在窗簾收卷裝置聯軸器靠近電機的一端，滿足剛度要求。

在窗簾收卷裝置其他位置，結構變形量很小，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 結構應力結果

圖8 整體等效應力云圖

計算完成之后，選擇查看模型的等效應力（Equivalent Stress）云圖，如圖8 所示。通過查看結構的應力云圖可以看出，結構最大應力為10.213 MPa，遠小于窗簾收卷裝置使用材料的許用應力（145 MPa）[1]，發生在窗簾收卷裝置的聯軸器靠近同步輪的一端，具體位置如圖9所示。

圖9 最大等效應力云圖

綜上所述，在承受上述載荷的工況下，結構不會發生塑性變形，強度可以通過。

2.6 優化與仿真

根據圖7，發生的最大變形雖然很小，僅為4.4786×10-3mm，但是發生的位置在聯軸器和電機附近。在長期的使用中，微小的變形量可能會導致傳動軸、聯軸器和電機輸出軸的磨損，需要在已有的電機支架的基礎上，在傳動軸的另一端增加支撐架，以此來約束在窗簾收卷裝置的運行過程中聯軸器發生的變形。

將優化后的模型在Creo軟件中進行仿真分析。進入應用程序欄中的“機構”中，定義伺服電動機，選擇設置好的在電機輸出軸的銷釘約束，在配置文件詳情中將“角位置”改為“角速度”，系數設置為180 deg/sec，如圖10所示。在機構分析的類型當中將“位置”改為“運動學”，如圖11 所示。模擬出窗簾收卷裝置運行情況，啟動模型，優化后的模型能夠正常運行，在運行過程中Creo 軟件沒有出現報錯的情況，各零件間也沒有出現不符合實際的接觸和干涉，窗簾收卷裝置的設計符合實際，且能正常運行。收卷裝置運動仿真圖如圖12所示。

圖10 配置文件詳情

2.7 結果分析

根據結構變形結果和結構應力結果，窗簾收卷裝置的強、剛度都達到了需要的標準，結構的最大變形量出現的部位在聯軸器靠近電機的一端，而結構受到的最大應力則出現在聯軸器靠近同步輪的一端。為了減少窗簾收卷裝置在長期運行中聯軸器和電機輸出軸的磨損，提高窗簾收卷裝置的耐用性，增加了支撐架進行約束。根據仿真分析的結果，窗簾收卷裝置的仿真模型運行正常，各零件間的運行情況也符合實際，模型沒有出現不符合實際的接觸和干涉。

圖11 分析定義

圖12 收卷裝置運動仿真

3 結束語

本文對一種窗簾收卷裝置進行了有限元分析，得知結構的最大變形量和最大受力都處于聯軸器位置，根據有限元分析結果，窗簾收卷裝置的剛度、強度都達到所需標準，并且在此基礎上增加了支撐架進行約束。最后通過仿真分析模擬結構的運行情況，模擬出的模型運行情況符合實際情況，驗證和模擬了窗簾收卷裝置設計的可行性[9]。