安裝孔帶斜坡的墻壁開關(插座)固定架FEA剛度分析方法

唐雪龍 陳旭波 姚思捷 胡友才 彭美南

（寧波公牛電器有限公司 慈溪 315314）

引言

墻壁開關（插座）固定架（以下簡稱“固定架”）在安裝時，在螺栓孔處承受螺栓預緊力作用，如果固定架剛度不足，將引起其整體發生較大的變形，同時內部零件也會相應發生較大幅度變形，從而引起開關按鈕無法撥打或者拉電弧，或者引起插座插頭插入不到位，過熱損壞等嚴重后果。所以固定架剛度的保證是非常重要的。

新型固定架在螺栓安裝孔的環形面上設置了斜坡面，以增加斜向力來增加固定架剛度，因為斜坡面會壓潰，增加螺栓頭的摩擦系數，降低預緊力，從而降低固定架變形。如圖1所示。本文所討論的固定架就是這種固定架。

圖1 墻壁開關(插座)固定架安裝螺栓孔結構及剛度試驗夾具示意圖

按照公司內部規定，測試固定架剛度的方法為，將固定架置于特制的臺架上，固定架兩邊搭接在臺架上，兩搭接邊間距75 mm，使用叉形壓頭在螺栓孔處加載500 N，測量螺栓孔邊緣的位移S，固定架剛度的定義為K=500/S，單位N/mm。

1 問題現狀

對于螺栓安裝孔帶斜坡的固定架，FEA剛度分析是非常困難的，按照目前的方法（本文“方法1”）進行分析，用圖2的方式計算的變形值與試驗值差距可能達到30 %以上，該差距無法接受。原因是安裝螺栓的螺栓頭會壓潰固定架斜坡面，造成側向力，豎直向下的加載模式不適合該結構，如圖2所示。但是如果使用螺栓頭進行復雜的接觸分析（本文“方法2”），如圖3所示，斜坡面一旦壓潰，塑料的高度屈服給FEA計算帶來巨大困難，計算到中途會計算不下去，而且計算時間非常漫長。

圖2 簡化的豎直加載全螺栓孔的方法的分析模型

圖3 復雜的螺栓頭接觸仿真方法的FEA分析模型

能否創造出一種全新的簡單的FEA方式，而且計算結果與試驗值準確度在10 %左右，用FEA剛度分析來代替試驗，加快研發進度？

2 FEA仿真方法

2.1 簡化的豎直加載全螺栓孔的方法

這是目前使用的一種簡化的FEA剛度分析方法，約束固定架的A側與支架接觸的邊緣(虛線所示)的三個方向自由度UXUYUZ，約束固定架的B側與支架接觸的邊緣(虛線所示)的一個方向自由度UZ。在兩個螺栓安裝孔處分別施加Z方向向下250 N，用RBE2分散在整個螺栓孔環形面上，如圖4所示。

2.2 方法2：復雜的螺栓頭接觸仿真方法

用兩根4×4 mm的鋼軌托住固定架，之間建立接觸，鋼軌之間的距離等于圖4中支架AB兩側接觸邊緣的距離。上面用兩個?6 mm的圓柱壓頭壓在螺栓孔環形面上，建立接觸，在圓柱壓頭上施加強迫位移往下壓，如圖5所示。

圖4 簡化的豎直加載全螺栓孔的方法的詳細FEA分析模型

圖5 復雜的螺栓頭接觸仿真方法的詳細FEA分析模型

該分析時間非常漫長，長達幾個小時，進行到中途便停止，螺栓孔環形面發生嚴重塑性變形[3]，螺栓頭已經侵入接觸面，如圖6所示，此時兩螺栓孔的總壓力僅有367.6 N。

圖6 方法2的FEA應力變形云圖

2.3 簡化的豎直加載螺栓接觸面的方法

約束加載方法同本文“方法1”，唯獨不同的是加載面，加載面從整個環形面變成了斜坡面上與螺栓頭接觸的局部，如圖7所示。

圖7 簡化的豎直加載螺栓接觸面的方法的詳細FEA分析模型

2.4 簡化的法向加載螺栓接觸面的方法

約束加載方法同本文2.1，唯獨不同的是加載面，加載面從整個環形面變成了斜坡面上與螺栓頭接觸的局部，而且方向從豎直向下，變成了沿斜坡面法向向下，但兩個螺栓孔的加載力的豎直方向分量之和依然是500 N，如圖8所示。

圖8 簡化的法向加載螺栓接觸面的方法的詳細FEA分析模型

2.5 簡化的45 o加載螺栓接觸面的方法

約束方法同本文“方法1”，唯獨不同的是加載面，加載面從整個環形面變成了斜坡面上與螺栓頭接觸的局部，而且方向從豎直向下，變成了與豎直方向成45 °夾角，但兩個螺栓孔的加載力的豎直方向分量之和依然是500 N，如圖9所示。

圖9 簡化的45 °加載螺栓接觸面的方法的詳細FEA分析模型

3 FEA分析所使用的材料參數

FEA分析所使用的材料參數如表1，計算剛度時FEA軟件只需要輸入彈性模量E，泊松比μ，剪切模量G無需輸入，FEA軟件會根據E和μ自動計算出G[1]。

表1 材料參數表

4 墻壁開關(插座)固定架剛度測試與FEA結果對比

使用萬能試驗機對固定架剛度進行測量，如圖10所示，壓頭固定在萬能試驗機上向下壓，施加500 N，固定架放置在特制的支架上，固定架與支架僅在A側和B側兩邊緣接觸，如圖11所示。然后測量固定架邊緣的位移量S。如圖所示。固定架的剛度K定義為K=500/S，單位N/mm。

圖10 使用萬能試驗臺和專用夾具測試固定架剛度

圖11 測試固定架剛度所用的專用夾具和壓頭

由于高分子材料具有粘彈性，測試的時間將對結果影響明顯[2]，本文對測試時間的規定為5 s內測量位移量。

使用某型固定架A為對象，使用以上方法進行剛度測試，數據如表2所示。目前使用的FEA方法1的結果與試驗值差距最大，達到-33.8 %。最復雜的FEA方法2的結果與試驗值差距最小，達-8.7 %（FEA分析在加載到368 N后終止，詳見本文2.2，于是試驗時也加載368 N）。FEA方法3，FEA方法4，FEA方法5是三種創新的簡化FEA方法，其中FEA方法5的結果與試驗值的差距最小，達-9 %。所以選用FEA方法5作為以后標準的固定架剛度的簡化FEA計算方法。

表2 固定架A的位移FEA分析結果與位移試驗值

5 對FEA方法5的擴大試驗驗證

使用另外三種型號的固定架B，C，D進行剛度試驗，同時使用FEA方法5對其進行計算，對比兩批結果，如表3所示。

表3 多型號固定架位移FEA分析結果與位移試驗值

可見FEA方法5的結果與試驗值高度吻合，差距在-7.5～2.3 %。證明該FEA方法是一種非常穩定可靠的固定架剛度的計算方法，可普遍適用于不同外形的固定架，而且由于不需要做接觸，非常簡單，所以計算時間非常短，高效快速。

6 小結

本文對安裝孔帶斜坡的墻壁開關(插座)固定架的剛度FEA分析方法進行了研究，并且與試驗值進行了對比。研究了5種不同的FEA方法，淘汰了目前的FEA方法1以及其它3種FEA方法，選取了FEA方法5，即簡化的45 °加載外側螺栓孔的計算方法作為標準的固定架剛度計算方法。

該研究成果可以加快研發進程，節約修改模具的成本，保證產品的性能。并且為將來的固定架輕量化研究打下堅實的基礎。

本研究證明了FEA力學分析技術可以非常高效快速地協助設計，幫助解決產品力學性能問題，輔助研究產品的改善方向，是值得電工行業大力推廣的高科技研發技術。