基于ANSYS的消毒柜升降機構有限元分析

賈志強 劉歡 蔣濟武

1.廣東美的洗滌電器制造有限公司 廣東佛山 528311；2.廣州番禺職業技術學院 廣東廣州 511483

1 引言

隨著社會經濟的發展以及對于飲食衛生的注重，消毒柜也已經成為家用廚電的重要角色。而消毒柜在設計過程，為了節省空間以及方便實用，多采用雙層設計，放置位置也有一定的要求[1-3]。因此在其中下層碗柜安裝升降裝置十分重要，有采用電力驅動的也有實用機械機構實現的。本文則是基于ANSYS對設計的消毒柜升降機構[4]進行有限元仿真分析。對消毒柜的四連桿機構及傳動軸、水平釋放零件和水平釋放觸發桿主要受力原件進行模型建立簡化、施加約束和網格劃分，同時在網格劃分中采用不同組別，進行有限元仿真以驗證消毒柜升降機構的設計可靠性。

2 消毒柜升降機構簡介

消毒柜升降機構主要由以下幾個模塊組成：滑軌抽拉及抬升模塊，緩沖省力模塊，限位及鎖死模塊以及門把手釋放模塊。

對于整套的消毒柜升降機構，四連桿結構是主要的分析對象。除此之外，滑軌采用購置的SRY2725型滑軌，成對使用時許用載荷240N，大于設計要求，因此可以減少自制滑軌的受力分析。同時助力機構中的氣彈簧改變了解鎖限位釋放方式，因此氣彈簧與連桿間的傳動軸以及水平釋放零件也為關鍵的受力零件，需要進行受力分析。主要受力元件如圖1所示。其中：(a)升降桿機構簡化內部圖，(b)四連桿連接軸，(c)水平釋放觸發桿，(d)水平釋放零件，(e)消毒柜整體圖。

本文則是基于ANSYS對上述主要受力元件進行仿真分析以驗證裝置設計的可靠性。

3 ANSYS有限元仿真

消毒柜在抬升過程中通過傳遞碗籃受到的力和力矩作用于受力原件，其中連接件往往是重要的分析對象。本文中對抬升機構中的四連桿機構及傳動軸、水平釋放零件和水平釋放連接桿進行建模和仿真分析。ANSYS仿真分析的一般步驟是模型建立及簡化、導入材料屬性、設置載荷、設置邊界條件及約束、網格劃分、求解和結果后處理。整個機構的材料都以304鋼為材料導入屬性，下面主要對模型的簡化、載荷、邊界條件等仿真條件進行描述。

圖1 主要受力元件

圖2 消毒柜碗籃升降機構簡化模型

圖3 在傳動軸施加約束及碗籃施加設計載荷

表1 模型不同組的網格大小

表2 水平釋放零件不同組的網格大小

表3 不同組四連桿的最大位移值

3.1 四連桿機構及傳動軸分析建模

模型的材料屬性統一采用304不銹鋼材料，分別對消毒柜碗籃升降機構初始位置（即圖2(a)所示）以及碗籃抬升機構升到最高處的最終位置（如圖2(b)）施加約束以及網格劃分后進行建模分析。

初始位置，對于碗籃，對稱性簡化之后，U型鈑金在對稱面上應該限制垂直對稱面方向的位移以及平行對稱面的旋轉；對于傳動軸，初始狀態可認為沒有轉矩，因此固定兩根傳動軸的中間部分（如圖3(a)），前軸連接有氣彈簧助力模塊，在初始狀態時氣彈簧不產生力，但是起到支撐作用，因此固定前軸與助力模塊相連的兩個面（如圖3(b)）。碗籃設計載荷為150N，由于對稱性，在U型鈑金件表面施加75N的力模擬實際碗籃的重量（如圖3(c)）。

最終位置，其模型簡化方式與初始狀態相同，網格大小、網格劃分方法以及載荷施加方式也相同。區別在于在固定傳動軸的中間部分時只限制其位移，不限制其旋轉（與圖3(a)相比），同樣固定前軸與助力模塊接觸的面（與圖3(b)相同）。

網格劃分中碗籃采用Automatic Method方式劃分網格，網格類型為Automatic；兩根連桿以及傳動軸桿采用Patch Conforning Method方法劃分網格，網格類型為Tetrahedrons[5-6]。

為方便求解計算以及結果分析，對模型不同位置采用不同網格大小。碗籃型鈑金件的網格大小記為Size A；前后兩根連桿的網格大小記為Size B；兩根傳動軸的網格大小記為Size C。連接界面處的網格大小記為Size D。改變網格的大小進行相同約束條件以及載荷條件的分析計算，進行比對計算分析，初始狀態與最終狀態的同組Size值相同，各組中的網格大小如表1所示。

圖4 水平釋放機構約束情況

圖5 觸發桿約束情況

圖6 初始位置

3.2 水平釋放零件建模

水平釋放零件上方的軸是該零件上最細的軸，且掛有復位拉簧，因此為分析的重點。其上所掛復位彈簧參數為1x8x35,根據模型運動時可知其最大拉伸長度約為55mm，此時的受力約為30N，按照40N進行計算，固定下方的轉軸以及與連桿接觸的曲面，在上方掛有彈簧的軸上施加40N的力，如圖4所示。

水平釋放零件較為復雜，采用Patch Conforning Method方法劃分網格，網格類型為Tetrahedrons。主體網格大小記為Size E；相關軸的網格大小記為Size F；連接處的網格大小記為Size G。改變網格的大小進行相同約束條件以及載荷條件的分析計算，進行比對計算分析，各組中的網格大小如表2所示。

Feasibility Study on 1 000 MW New Generation Ultra-supercritical Unit with Double Re-heating Cycles at 630 ℃ WANG Donglei,ZHANG Peng,HUO Peiqiang(33)

3.3 水平釋放觸發桿建模

水平釋放觸發桿是將人力傳動給水平釋放零件使其能夠轉動釋放連桿的零件。根據結構可知拉動水平釋放零件轉動需要克服彈簧提供的復位轉矩，彈簧力按照40N計算，根據力臂長度，觸發桿上需要約60N的力，固定右側孔，其受力約束情況如圖5所示。

采用Patch Conforning Method方法劃分網格，網格類型為Tetrahedrons，網格大小選擇Element Size的值為5mm和2mm，改變網格的大小進行相同約束條件以及載荷條件的分析計算。

4 仿真結果及分析

4.1 理論受力及位移分析

在仿真的后處理過程中主要導出的是三個構件的應力云圖以及位移云圖，通過位移和應力兩個量的結合能更好判斷構件的相應狀態。

構件的受力均從碗籃的設計載荷150N傳遞而來，仿真過程的載荷條件中已對構件的受力進行了簡化，不再贅述。將構件都近似為理想剛體，構件的微位移主要是由于拉壓變形以及扭轉變形導致，按如下公式計算：

多段變截面或者變軸力構件的變形為：

式中：FNi為各段受到的力，E為彈性模型，Ai(x)為截面面積。

圖7 最終位置

圖8 初始位置

表4 不同組四連桿的最大應力值

表5 不同組傳動軸的最大位移值

表6 不同組傳動軸的最大應力值

表7 不同組水平釋放零件的最大位移值及最大應力值

表8 不同網格大小時水平釋放觸發桿的最大位移值及最大應力值

扭轉變截面或變扭矩構件的變形為：

式中：M為扭矩，G為剪切彈性模量，I為極慣性矩，根據此便可以求得位移變化的極值。

4.2 四連桿機構及傳動軸

根據三組網格劃分大小得到四連桿初始位置和最終位置的仿真結果如圖6、圖7所示。圖6中，位移分布：(a)第一組，(b)第二組，(c)第三組；應力分布：(d)第一組，(e)第二組，(f)第三組。圖7中，位移分布：(a)第一組，(b)第二組，(c)第三組；應力分布：(d)第一組，(e)第二組，(f)第三組。

從計算結果的位移分布圖中可以看出，初始狀態最大位移出現在四連桿的下半部分，位移值較小，最終狀態下最大位移出現在前連桿與碗籃連接處，這是由于前連桿連接有助力機構，主要限位依靠前連桿限位，位移分布與實際情況相符。

圖10 位移分布(a)第一組(c)第二組；應力分布(b)第一組(d)第二組

圖11 水平釋放觸發桿的仿真結果

連桿的最大位移值如表3所示，可以看出初始狀態最大位移在0.0224mm左右，最終狀態位移在0.0411mm左右，隨著網格細化其值變化極小，這是由于最大位移值本身較小，也說明位移值較接近真實情況。

連桿的最大應力值如表4所示，隨著網格的細化，最大應力會有所波動，但變化不大。初始狀態最大值在10Mpa左右，最終狀態下的最大應力值在30Mpa左右，由于304不銹鋼的屈服強度在205MPa左右，計算的結果遠遠小于屈服強度，因此四連桿強度能夠滿足安全要求。

根據三組網格劃分大小得到傳動軸初始位置和最終位置的仿真結果如圖8、圖9所示。圖8中，位移分布：(a)第一組，(b)第二組，(c)第三組；應力分布：(d)第一組，(e)第二組，(f)第三組。圖9中，位移分布：(a)第一組，(b)第二組，(c)第三組；應力分布：(d)第一組，(e)第二組，(f)第三組。

從計算結果的位移分布圖中可以看出，傳動軸的最大位移以及最大應力都分布在前連桿與傳動軸連接部位的軸徑變化處，這是碗籃重力與軸徑突變產生應力集中共同作用的結構，符合實際情況。

傳動軸的最大位移值如表5所示，最大應力值如表6所示。傳動軸的最大位移值隨網格細化而有增大的趨勢，但變化極小，初始狀態與最終狀態的最大位移均不足0.001mm，可忽略不計。傳動軸的最大應力值隨網格細化也有增大的趨勢，當細化到一定程度后增加的幅度減小，可見網格細化后的最大應力值逐步接近真實值，初始狀態下最大應力約為8Mpa，最終狀態下最大應力約為29Mpa，可見最終狀態受力較大，符合實際情況，但最大應力均遠小于304不銹鋼的屈服強度，傳動軸安全可靠。

4.3 水平釋放零件

根據網格劃分大小得到水平釋放零件的仿真結果如圖10所示。

從計算結果的位移分布圖中可以看出，水平釋放零件的最大位移出現在上方掛有復位彈簧的軸的最外端，最大應力則在該軸與主題的連接部位，符合懸臂梁類型的位移分布。不同網格劃分條件下計算所得的水平釋放零件的最大位移值及最大應力值如表7所示。最大位移在0.039mm左右，最大位移值較小，在安全范圍內；最大應力值在68Mpa左右，小于304不銹鋼的屈服強度，焊接后許用拉應力約為0.6倍抗拉強度，304不銹鋼抗拉強度為520Mpa，0.6倍抗拉強度為312Mpa，由此可見水平釋放零件符合安全要求。

4.4 水平釋放觸發桿分析

根據網格劃分大小得到水平釋放觸發桿的仿真結果如圖11所示，其中，位移分布：(a)第一組，(c)第二組；應力分布：(b)第一組，(d)第二組。

從計算結果的位移分布圖中可以看出，水平釋放觸發桿的最大位移出現在與水平釋放零件接觸的平面外端，符合實際情況，最大應力出現在固定的孔處，這是由于開孔處的應力集中以及約束條件導致[7]。

不同網格劃分條件下水平釋放觸發桿的最大位移值及最大應力值如表8所示。水平釋放觸發桿最大位移在0.7mm左右，最大位移值較大，但仍小于1mm；預計最大應力值小于30Mpa，最大應力值較小，小于304不銹鋼的屈服強度，能夠符合安全要求。

5 結論

本文基于ANSYS對消毒柜的四連桿機構及傳動軸、水平釋放零件和水平釋放觸發桿主要受力原件進行了有限元仿真分析。對其進行模型建立簡化、施加約束和網格劃分，同時在網格劃分中采用不同組別，進行有限元仿真以驗證消毒柜升降機構的設計可靠性。通過仿真可得：在施加額定的載荷或外力后，四連桿機構以及傳動軸、水平釋放零件和水平釋放觸發桿的最大位移以及最大應力出現位置均符合實際情況分析；最大位移的值均位于安全范圍之內；最大應力均遠小于所用材料304鋼屈服強度。因此可得，在施加額定的載荷之后，消毒柜升降機構能達到設計要求并處于安全范圍之內，也驗證了設計機構的可靠性。