基于仿真分析的墻壁插座側邊缺口面板非對稱卡扣同時脫扣研究

王也，胡友才，彭美南，姬斌斌

（寧波公牛電器有限公司，浙江慈溪 315314）

0 引言

墻壁插座面板的拆卸是墻壁插座在使用和檢修前的必要環節，拆卸面板所需的必要步驟數量影響墻壁插座拆卸的難易程度[1]。因此，能否實現僅撬動一次面板即完成拆卸，直接影響墻壁插座的使用體驗。

墻壁插座面板拆卸是通過面板形變使面板卡扣與其他零部件緊固件相互脫離的過程[2]；實現面板的一次性拆卸，即需實現面板卡扣的同時脫扣。而影響面板卡扣同時脫扣的主要因素包含面板卡扣和面板本身的整體結構，其中面板的卡扣是面板與其他零部件連接的緊固結構，是面板拆卸所需突破的結構約束本身；而面板的整體結構影響其本身剛度，面板的剛度決定在拆卸狀態下面板形變的難易程度[3]。在卡扣結構固定的情況下，其開始脫扣和完成脫扣所需要的面板形變程度是一個相對定值，因此，在拆卸過程中，在面板剛度一定的條件下，卡扣的布局直接影響卡扣脫扣的起始和結束點。但由于面板整體的結構設計往往因墻壁插座的功能需求不同而異，在這種結構不對稱的情況下，面板的剛度并不均勻，且難以基于某一幾何特征或幾何參考對稱，這就導致實現卡扣同時脫扣的卡扣布局具有多樣性[4]。因此，探究面板拆卸過程中應力不均勻的墻壁插座非對稱卡扣布局的脫扣順序規律及其面板卡扣的脫扣條件具有相當重要的意義。

本文以一種帶側邊帶缺口的面板的墻壁插座為基礎模型，在試驗驗證的基礎上，通過仿真分析的方法，探究不同卡扣排布對多個卡扣脫扣順序的影響及單個卡扣脫扣的臨界特性。

1 模型的建立與分析

本文分析的基礎模型如圖1所示，該模型依據2種實際設計方案建立。在該模型中，因面板直接與固定架扣合，故不包含其他零部件。其中，面板卡扣為內側卡扣，2種方案的撬口均位于面板側邊正中央，卡扣右側相同位置有同樣大小的缺口，且右側卡扣距撬口中心位置均為32 mm；2 種方案僅左側卡扣距離撬口中心位置不同，分別為19.65 mm和32 mm。

圖1 一種帶側邊帶缺口的面板的墻壁插座

因面板側邊缺口的存在，面板撬口左右兩側剛度不同，右側剛度小于左側剛度。在實際拆卸面板時，撬動撬口使其向上方發生位移，因面板左右兩側剛度不同，左右兩側發生不同程度的形變[5]，使左側面板提供與右側面板相同變形量的位置與右側不同。基礎模型中，2種不同面板設計方案均因此無法實現左右兩側卡扣同時脫扣，且表現出不同的脫扣特征：左側卡扣距離為19.65 mm的方案的左側卡扣先脫扣，左側卡扣距離為32 mm的方案的右側卡扣先脫扣。

2 力學模型分析

圖2 非對稱卡扣脫扣力學模型

建立受力平衡的力學模型，其表達式為：

對于兩側卡扣，受力點A的力學表達式為：

式中，K1為面板左側剛度。

受力點B的力學表達式為：

式中，K2為面板左側剛度。

對于剛度K1和剛度K2，在脫扣過程中面板的形變為彈性形變且為沿力P方向的彎曲，因此適用于彈性形變的彎曲剛度計算方法，彎曲剛度K的表達式[8]為

式中：E為彈性模量；b為截面寬度；h為截面高度。

3 仿真前處理及結果驗證

3.1 前處理

仿真結果的精度與分析模型的前處理相關，接觸設置、材料參數、網格劃分、步驟設置是影響仿真分析精度的主要因素。本文分析模型的接觸設置參考實際接觸區域設置，將通過實際測量得到的各個接觸位置的實際滑擦區域劃分在幾何模型表面形成接觸區。在每一對接觸區域中，設置網格節點數較多的面為主面，網格節點數較少的面為輔面[9]。接觸設置參數由實際測量得出，參數設置如表1所示。

表1 接觸設置參數

將與實際測試零部件相同的同一批次材料制成標準樣條，使用MTS SYSTEMS（CHINA）公司生產的CMT4104拉壓力機進行拉伸試驗，得出零部件的材料參數，拉伸試驗如圖3所示。

圖3 材料拉伸屈服測試

材料參數取3次拉伸試驗的平均值，參數如表2所示。

表2 材料實測參數

為使仿真分析具備較高的準確性，通過劃分分析步驟的階段來控制約束、載荷、接觸生效與解除使仿真分析與實際試驗一致[10]。仿真設置中將仿真步驟劃分為環境步驟、臨時約束步驟、接觸步驟、載荷步驟4個階段，其中：環境步驟實現仿真的作用環境，使固定約束開始生效并作用于整個仿真分析過程；臨時約束是實現裝配過程，施加在接觸步驟前失效的能實現實際試驗形變相同的臨時約束，通過避免過盈設計導致的模型穿透，以避免接觸的穿透和漂移；接觸步驟使接觸生效并穩定仿真對象狀態使其與實際情況一致；載荷步驟施加脫扣載荷，進行仿真運動。

為平衡計算速度與計算精度，按照接觸區網格最密集、整體網格較稀疏的原則進行網格劃分；為避免網格密度跳躍較大，設置接觸區域所在局部結構網格密度為過渡。具體參數如表3所示。

表3 網格劃分參數

設置網格類型選擇帶中間節點的四面體網格，這種網格計算質量接近六面體網格且能保留四面體網格易于劃分的優點[11]；左側卡扣距離為19.65 mm的方案最終劃分網格節點數為333 846，劃分網格單元數為183 611；左側卡扣距離為32 mm的方案最終劃分網格節點數為354 391，劃分網格單元數為195 549。

3.2 仿真結果對標

對2種原始方案模型進行有限元仿真分析。即以面板與固定架扣合狀態為起始狀態，向上抬動中間撬口，直至首個卡扣脫扣為止，其仿真結果應力云圖如圖4所示。

圖4 原始模型仿真結果

該應力云圖為2種方案因脫扣應力急劇變化時的應力云圖，其各自表現的應力最大處位于各自的先脫卡扣附近。這是由于卡扣脫扣過程是一種形變過程，應力集中于形變最大處，而卡扣脫扣時，脫扣處形變最大，可見仿真結果與實際情況保持一致。同時，因卡扣距撬口距離更遠，在卡扣脫扣所需的形變量一定的條件下，所需要的面板形變更大；可見右側方案脫扣時右側撬口抬升位移更高，且面板應力值更高、變形更大，符合實際結果和規律。可認為該仿真設置所計算的仿真結果與實際情況相吻合。

4 脫扣順序特性分析

為探究基于側邊缺口的墻壁插座面板的非對稱卡扣同時脫扣條件，首先對其不同布局情況下的兩側卡扣脫扣情況進行分析。由前文分析的標準模型可知，在面板基本結構不變且右側卡扣位置不動的條件下，實現兩側卡扣同時脫扣要求的左側卡扣的位置應為基礎模型2種方案的中間某處。

以二分法取基礎模型2種方案距離中心26 mm放置左側卡扣并進行仿真分析，發現先脫扣卡扣為左側卡扣，應力云圖如圖5（a）所示。在此基礎上，設計左側卡扣中心距撬口中心的距離為變量的脫扣順序特性分析實驗，仿真分析結果如圖5所示，圖5中由上至下依次為左側卡扣距撬口中心的設計距離分別為26、27、28、29、30、31 mm的云圖。

圖5 脫扣順序特性分析面板受力云圖

因面板拆卸是抬動撬口使面板卡扣與固定架卡扣相互脫離的過程，撬口位于面板中間，因此卡扣的相互分離滑動是從靠近面板中間方向開始并于靠近面板兩側外沿方向結束的。

通過分析26 mm方案可知，左側卡扣的應力集中點于外沿處，右側卡扣的應力集中點位于左側處，可以認為，當此面板左側卡扣完成脫扣時，右側卡扣剛剛開始脫扣，因此左側卡扣先脫扣。當左側卡扣距撬口的距離不斷加長，右側卡扣的應力集中點開始向右側邊移動，當距離達到29 mm時，可見右側卡扣高應力區已延伸至卡扣右側邊沿；當距離達到30 mm時，面板左右兩側卡扣應力集中區基本相同，此時左側卡扣先脫扣；當距離達到31 mm時，面板左右兩側卡扣應力集中區仍基本相同，此時右側卡扣先脫扣。由此可知，兩側卡扣同時脫扣左側卡扣的位置應在距撬口中心30～31 mm處。通過兩側邊界條件推斷：兩側卡扣同時脫扣的充分條件是兩側卡扣的應力集中點同時位于卡扣脫扣行程的結尾處，且卡扣應力集中區也應基本相同。

5 卡扣脫扣臨界應力特性分析

在卡扣應力集中區相同的條件下，試驗分析的兩側卡扣仍表現出不同的脫扣順序。由于卡扣脫扣是一個瞬時變化，可知此時卡扣脫扣臨界條件達成的順序決定了卡扣脫扣順序的不同。為探究卡扣脫扣臨界條件特性，設計變量僅為左側卡扣距撬口中心的設計距離分別為30.1、30.2、30.3、30.4、30.5、30.6、30.7、30.8、30.9 mm 的卡扣脫扣試驗。仿真應力集中區結果如圖6所示。

圖6中依次為30.1～30.9 mm實驗方案的左側與右側卡扣外側邊沿受力云圖。可見左側卡扣應力在30.1～30.7 mm方案均保持不變，且固定架卡扣應力略大于面板卡扣應力；而右側卡扣的應力不斷增大，在距離為30.8 mm時增大至與左側卡扣相同，且此時兩側的固定架卡扣與面板卡扣局部應力均基本相同；當距離增加至30.9 mm時，右側卡扣應力開始大于左側卡扣，且右側固定架卡扣局部應力大于面板局部應力。而實際測試結果中，當左側卡扣中心距翹口中心距離為30.8 mm時兩側卡扣可同時脫扣。由此可知，單一卡扣脫扣的臨界條件是：固定架卡扣的應力等于面板卡扣應力。而兩側卡扣同時脫扣的臨界條件是：兩側固定架卡扣的局部應力、兩側面板卡扣的局部應力兩兩相等。

圖6 卡扣脫扣臨界應力圖

6 結論

卡扣的布局是墻壁插座面板拆卸實現卡扣的同時脫扣的關鍵因素，卡扣的布局與面板的剛度相關；卡扣的布局應滿足：兩側卡扣應力集中點均位于其各自卡扣脫扣滑動行程的結尾處，且應力集中區域各零部件應力大小與分布均相同。