基于有限元分析的鈑金件結構強度影響因素的研究

司貴海，黃啟釗，孫保濤，陶宣彤

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

引言

目前，鈑金件是構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構，使其具備一定的強度，能夠承受一定的重量[1]。在傳統的鈑金件設計過程中，由于電氣柜柜體較為簡單，鈑金件的結構也較為簡單，設計人員往往采用增加鈑金的厚度來提高其強度，從而使柜體能夠承擔更多的重量[2]。但是隨著技術水平的發展，電氣柜功率越來越大，結構也越來越復雜，而對其輕量化、美觀化及可維護化的要求也越來越高。此時只采用增加鈑金件厚度的方法去提高其強度已無法滿足需求，因此，對板件件其他提高強度的方法進行研究分析是非常有必要的。

1 鈑金件模型設計及有限元處理

在三維軟件中設計了鈑金件三維模型，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行了抽中面處理，然后對模型進行了網格劃分，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行約束處理，對其左右兩邊的螺絲孔進行固定約束，模擬其固定在柜體框架上；在其上表面施加150 kg的質量點，模擬其上表面安裝有一個150 kg的部件，處理后的鈑金計算模型如圖3所示。根據計算結果所得，此鈑金件最大等效應力為306.21 MPa，通過分析局部受力圖（見圖4）可知，306.21 MPa的等效應力只出現在一個節點上，其周圍區域的等效應力會直接降到270 MPa左右，由此可分析，306.21 MPa是一個應力奇點，此鈑金件真實的最大等效應力應為（238.17～272.19）MPa之間，按照最大值取為272.19 MPa[3]。

圖3 鈑金件計算模型圖

圖4 鈑金件局部受力圖

2 不同設計因素對鈑金件結構強度的影響

2.1 不同鈑金厚度對其結構強度的影響

為研究不同鈑金厚度對其結構強度的影響，本小節對同一種鈑金結構設計了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

根據前面方法對4種不同厚度的鈑金結構進行了有限元分析，并提取了相應的等效應力，并根據相關公式計算了安全系數，其結果見圖5。

圖5 受力結果

分析受力結果可知，隨著鈑金厚度的增加，其等效應力在減小，其安全系數增加，即其結構強度在增強。但是，其比例系數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，其對強度的提升是逐步減小的。因此，在傳統鈑金設計中，單純依靠提升鈑金厚度來提升強度其性價比會逐步降低。

2.2 不同折邊長度對其結構強度的影響

因加工工藝的需求，目前《鈑金設計規范》規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度的影響缺乏基本的研究。為研究不同折邊長度對其結構強度的影響，本小節對同一種鈑金結構設計了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

根據前面方法對5種不同模型進行了有限元分析，并提取了相應的等效應力，并根據相關公式計算了安全系數，其結果見圖6。

圖6 受力結果

分析結果可知：①鈑金折邊對于其強度的增強有著較大的作用；②折邊長度與其強度成正比關系，但是比列系數是減小的。對于2.5 mm厚的鈑金，25 mm的折邊長度是最經濟的。

2.3 不同折邊形狀對結構強度的影響

為研究不同折邊形狀對結構強度的影響，本小節設計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行了強度分析，并提取了相應的等效應力，并根據相關公式計算了安全系數，其結果見表3。

表3 受力結果

分析結果可知，折邊形狀對于強度的影響不大，且兩道直角折邊會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度。

2.4 不同固定方式對結構強度的影響

對于同一個鈑金件有多種固定方式，但對于不同固定方式對強度影響的研究卻少之又少。為研究不同固定方式對結構強度的影響，本小節設計了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種模型進行了強度分析，并提取了相應的等效應力，并根據相關公式計算了安全系數，其結果見圖8；

圖8 受力結果

分析結果可知：①固定鈑金長邊比固定鈑金短邊能夠提升一定的強度；②固定鈑金四周對鈑金的強度有較大幅度的提升，因此在實際設計中，應盡量將鈑金的四周全部固定起來；③當在鈑金某個點單獨增加固定點時，會降低其局部強度。

3 結論

根據以上分析結果可知，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這3種方式來提高其強度，其優缺點如下：

1）增加鈑金厚度是提高強度最簡單的方式，其不需要改變鈑金的結構，但是其比例系數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，當鈑金厚度小于3 mm時，可用沖壓機床進行鈑金加工，否則，只能用激光機床進行加工。因此，單獨依靠增加厚度來提升強度會增加整體產品的重量和增加產品制造成本。

2）增加鈑金折邊長度可適當的提高強度，且不會增加太多的重量，但有時會受到安裝空間的制約；

3）增加固定點，特別是在鈑金的四周增加固定點，可有效提高強度，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，可直接通過增加鈑金的厚度來提升強度。當鈑金件的厚度大于2.5 mm時，通過增加厚度來提升強度的左右會變小，且會增加制造費用。此時，可結合使用增加折邊長度和增加固定點的方法進行鈑金強度的優化，這樣可有效提升整柜的強度且不會增加太多的重量。在產品優化方面，可采用增加折邊長度和增加固定點的方法，在保持鈑金現有強度不降低的情況下，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型成2種厚度，將會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。