基于Ansys Workbench的手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕仿真分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王一鳴, 喬印虎, 袁枝亭, 魏廣智, 賈 茹

(1.安徽科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 鳳陽 233100;2.安徽水利開發(fā)有限公司,安徽 蚌埠 233000)

手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕是火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中的重要一環(huán),當(dāng)人員發(fā)現(xiàn)火情時(shí),手動(dòng)按下火災(zāi)報(bào)警按鈕設(shè)備上醒目的白色壓板,如圖1所示。按下壓板后內(nèi)部的報(bào)警電路完成閉合,便可以完成火警的快速上報(bào)[1]。由于手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕需要人工手動(dòng)按壓實(shí)現(xiàn)報(bào)警,相比火災(zāi)探測(cè)報(bào)警器的自動(dòng)報(bào)警,誤報(bào)警的概率相對(duì)較低,一般設(shè)置放在過道較為顯眼的位置,便于出現(xiàn)火情使用[2]。但倘若有人誤觸或是小朋友因?yàn)楹闷嫘陌聪聣喊?便會(huì)出現(xiàn)誤報(bào)火警的情況,造成人力物力的浪費(fèi),除了嚴(yán)格規(guī)定手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕的安裝高度以外(防止兒童誤觸),GB 19880—2005《手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕》還規(guī)定了具體不動(dòng)作試驗(yàn)要求。該試驗(yàn)可以測(cè)試手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕對(duì)于較小按壓力,即誤觸的抵御能力[3]。

圖1 手動(dòng)報(bào)警按鈕外觀Fig.1 Appearance of manual alarm button

本研究通過建立手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕三類核心零部件:壓桿、壓板以及底板的裝配模型,模擬不動(dòng)作試驗(yàn)的過程對(duì)模型進(jìn)行約束和載荷的施加,在Ansys Workbench中完成靜力學(xué)有限元分析,計(jì)算出手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕應(yīng)力最大值,利用Sceening篩選優(yōu)化法對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕的基本參數(shù)

1.1 手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的迅速發(fā)展,對(duì)于手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕結(jié)構(gòu)的合理性要求越來越高,按下手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕設(shè)備的壓板后,壓桿會(huì)形成自鎖,使用配合的鑰匙才能解鎖。傳統(tǒng)手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕的壓板和壓桿使用彈簧連接,利用彈簧的彈性形變達(dá)到自鎖的效果,但實(shí)際生產(chǎn)和使用中,彈簧安裝困難且存在運(yùn)輸安裝過程中掉落的情況。本研究中手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕采用全新設(shè)計(jì),零部件結(jié)構(gòu)如圖2所示,該設(shè)計(jì)方案使用壓桿的自身材料彈性形變實(shí)現(xiàn)自鎖和工作,減少了彈簧這一零件,從而簡(jiǎn)化生產(chǎn)和裝配過程。壓桿、壓板以及底板裝配后的三維模型如圖3所示。

圖2 手動(dòng)報(bào)警按鈕零部件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the structure of manual alarm button parts注:1為上殼體;2為鑰匙;3為壓桿;4為壓板;5為底板;6為下殼體;7為端子架;8為底座。

圖3 壓桿、壓板和底板裝配示意圖Fig.3 Assembly diagram of pressure rod, pressure plate and bottom plate

1.2 模型導(dǎo)入及材料選擇

建模完成的核心零部件裝配體三維模型保存為.stp文件后,使用Ansys Workbench中的Static Structural進(jìn)行模型的導(dǎo)入。手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕選用材料為ABS D-2400塑料,是一種丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)改進(jìn)產(chǎn)品。ABS工程塑料具有良好的綜合力學(xué)性能,ABS D-2400作為ABS的改性材料,具有較高的耐熱性,在89 ℃才會(huì)發(fā)生熱變形[4]。

1.3 單元類型及網(wǎng)格劃分

Ansys Workbench中提供Ansys Meshing應(yīng)用程序(網(wǎng)格劃分平臺(tái))的目標(biāo)是提供通用的網(wǎng)格劃分工具。網(wǎng)格劃分的目的是對(duì)結(jié)構(gòu)模型實(shí)現(xiàn)離散化,把求解域分解成可得到精確解的適當(dāng)數(shù)量的單元[5]。本研究采用自動(dòng)劃分法對(duì)該模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分[6],共生成389 723個(gè)節(jié)點(diǎn),生成245 500個(gè)單元,網(wǎng)格平均質(zhì)量為0.83,大于正常分析所需的0.7,可較好地用于有限元仿真分析[7]。

1.4 載荷的施加

裝配體載荷的加載主要模擬GB 19880—2005《手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕》中規(guī)定的不動(dòng)作試驗(yàn)。壓桿右端三角塊首先向下移動(dòng)4 mm的位移,進(jìn)入底板右側(cè)設(shè)置的限位框中,進(jìn)入手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕正常工作狀態(tài),然后依照不動(dòng)作試驗(yàn)的要求對(duì)壓板中心施加相應(yīng)的力[8]。模擬裝配體的載荷加載順序,0～10 s內(nèi)不施加載荷,10～20 s內(nèi)以2.5 N/s的速率向手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕壓板中心位置施加垂直于壓板方向的力F,當(dāng)F達(dá)到25 N(國(guó)標(biāo)規(guī)定上限)后,在20～25 s期間內(nèi)保持5 s,然后以2.5 N/s的速率釋放,在第35秒完成靜力學(xué)分析[9]。在壓板施加載荷的同時(shí),壓桿會(huì)受到來自壓板接觸面的一個(gè)隨時(shí)間變化的力F,力F在斜面上會(huì)分解為向下的壓力f1和向內(nèi)的推力f2,壓桿受力分析如圖4所示,當(dāng)F=25 N時(shí),壓桿會(huì)受到最大應(yīng)力P和最大位移D。

圖4 壓桿受力分析Fig.4 Force analysis of compression bar

1.5 仿真分析結(jié)果

對(duì)手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕裝配體整體進(jìn)行應(yīng)力分析,顯示最大應(yīng)力處出現(xiàn)在壓桿處,其余零部件受應(yīng)力較小。對(duì)壓桿做單獨(dú)分析,分析結(jié)果如圖5所示,應(yīng)力最大處在壓桿中部受壓位置,符合實(shí)際工作使用情況,最大工作應(yīng)力為45.67 MPa,小于ABS D-2400塑料的屈服強(qiáng)度63 MPa,不會(huì)發(fā)生塑性形變,但是存在應(yīng)力集中,在反復(fù)形變下存在疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn),最小安全系數(shù)為1.37,存在一定安全隱患[10]。

圖5 壓桿應(yīng)力云圖Fig.5 Compression bar stress cloud

2 多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

2.1 設(shè)計(jì)變量

在優(yōu)化設(shè)計(jì)中同時(shí)要求2項(xiàng)或2項(xiàng)以上設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)值的問題,稱為多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題[7]。由于壓板與底板受應(yīng)力較小,無需改變結(jié)構(gòu),需要對(duì)壓桿的基本尺寸進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。首先對(duì)壓桿模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,將壓桿的一些倒角或圓角結(jié)構(gòu)刪除,這些結(jié)構(gòu)對(duì)于整體的剛度影響可忽略不計(jì),保留關(guān)鍵尺寸用于優(yōu)化分析[11]。本研究選取影響壓桿應(yīng)力的3個(gè)主要尺寸作為設(shè)計(jì)參數(shù),分別為壓桿長(zhǎng)度l、壓桿厚度t、壓桿與壓板接觸面的導(dǎo)向角度θ,如圖6所示,均為連續(xù)型變量參數(shù)。

圖6 壓桿參數(shù)示意圖Fig.6 Schematic diagram of pressure bar parameters

根據(jù)有限元分析,求解出壓桿的最大應(yīng)力P和最大位移D,手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕可以正常工作時(shí),最大位移4.0 mm≤D≤4.5 mm,同時(shí)將最大應(yīng)力P最小化。得到壓桿的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型如下:

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

本研究?jī)?yōu)化條件為1個(gè)目標(biāo)、3個(gè)變量、5個(gè)約束(包括參數(shù)的約束)。使用Design of Experiments模塊對(duì)手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕壓桿進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),設(shè)置壓桿整體長(zhǎng)度l、壓桿厚度t、壓桿與壓板接觸面的導(dǎo)向角度θ等3個(gè)連續(xù)變量參數(shù)的范圍,得到15組設(shè)計(jì)點(diǎn)[12],并計(jì)算出壓桿受到的最大應(yīng)力,如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)點(diǎn)優(yōu)化值Table 1 Optimal value of design point

2.3 參數(shù)靈敏度及響應(yīng)面分析

通過生成的變量參數(shù)靈敏度柱狀圖,分析變量參數(shù)對(duì)手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕壓桿最大應(yīng)力的影響情況[13],如圖7所示,壓桿厚度t(P2)對(duì)手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕最大應(yīng)力的影響程度最大,而導(dǎo)向角度θ(P3)和壓桿長(zhǎng)度l(P1)的影響較小。其中壓桿厚度t(P2)和導(dǎo)向角度θ(P3)的影響為正向,壓桿長(zhǎng)度l(P1)影響為反向。

圖7 靈敏度柱狀圖Fig.7 Sensitivity histogram

取壓桿厚度t、壓桿長(zhǎng)度l、導(dǎo)向角度θ等3個(gè)參數(shù)的其中2個(gè)設(shè)計(jì)變量作為輸入?yún)?shù)的X軸和Y軸,得出手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕壓桿最大應(yīng)力的響應(yīng)面模型,如圖8所示,進(jìn)而得出壓桿厚度t、壓桿長(zhǎng)度l、導(dǎo)向角度θ等3個(gè)參數(shù)對(duì)整體應(yīng)力的影響程度。

圖8 P1-P2-P3最大應(yīng)力響應(yīng)面模型Fig.8 P1-P2-P3 maximum stress response surface model

2.4 優(yōu)化分析

在擬合出響應(yīng)曲面之后,使用Optimization模塊進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化[14]。使用Screening篩選優(yōu)化方法對(duì)上述連續(xù)變量參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選,可以用于提高壓桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果精確度[15]。Screening算法即篩選算法是基于采樣和排序的簡(jiǎn)單方法,所以樣本數(shù)量決定了其準(zhǔn)確度,樣本數(shù)量越多,精度越高[16]。本研究設(shè)置樣本數(shù)為1 000,設(shè)置求解結(jié)果取壓桿受應(yīng)力最小,計(jì)算求解出3個(gè)最佳設(shè)計(jì)點(diǎn)[17],優(yōu)化過程如圖9所示,求解出最佳設(shè)計(jì)方案。3個(gè)最佳設(shè)計(jì)候選點(diǎn)如表2所示,得出的壓桿最大應(yīng)力分別為34.91、35.65、36.45 MPa,均遠(yuǎn)小于初始設(shè)計(jì)的最大應(yīng)力值。

表2 設(shè)計(jì)優(yōu)化候選點(diǎn)Table 2 Design optimization candidate points

圖9 優(yōu)化過程Fig.9 Optimization process

取設(shè)計(jì)點(diǎn)X1,壓桿長(zhǎng)度為68.00 mm,壓桿厚度為4.50 mm,導(dǎo)向角度為25°,經(jīng)過模型還原,把仿真前簡(jiǎn)化圓角、倒角等重新添加在模型上,如圖10所示,壓桿最大應(yīng)力為36.85 MPa。安全系數(shù)為1.7。比較優(yōu)化前后的結(jié)果,優(yōu)化后的手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕壓桿受到的最大應(yīng)力減小19.6%。

圖10 壓桿應(yīng)力云圖Fig.10 Compression bar stress cloud

3 結(jié)論與討論

本研究在一款現(xiàn)有依靠壓桿的自身材料彈性形變實(shí)現(xiàn)自鎖和工作手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕基礎(chǔ)上,針對(duì)其壓桿受到最大應(yīng)力過大、安全系數(shù)過小的問題,對(duì)該手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕壓桿進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì),完成現(xiàn)有手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕三維建模,模擬GB 19880—2005《手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕》的不動(dòng)作試驗(yàn)過程,使用ANSYS Workbench軟件建立裝配體進(jìn)行有限元模型,通過接觸分析,該手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕壓桿最大應(yīng)力為45.67 MPa,接近材料的屈服強(qiáng)度,存在接觸失效風(fēng)險(xiǎn),因此對(duì)壓桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化。通過對(duì)手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕壓桿進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì),得出各目標(biāo)函數(shù)隨設(shè)計(jì)變量變化的靈敏度柱狀圖和響應(yīng)面模型。確定各參數(shù)(壓桿厚度、壓桿長(zhǎng)度、導(dǎo)向角度)對(duì)最大應(yīng)力的影響程度,最后使用Screening算法分析出最佳候選設(shè)計(jì)點(diǎn)。通過對(duì)比優(yōu)化前后的有限元分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),優(yōu)化后的手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕壓桿受到的最大應(yīng)力減小19.6%,安全系數(shù)和可靠性得到了一定的提升。通過該仿真優(yōu)化后的參數(shù)完成了零部件的模具制造,經(jīng)過試驗(yàn)檢測(cè)該手動(dòng)報(bào)警按鈕完全滿足使用需求,并且通過沈陽消防研究所檢測(cè)認(rèn)證。該研究為后續(xù)的手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。