烹飪器具卡扣CAE 簡化仿真 分析方法研究與實驗驗證

文|

一、引言

隨著全民生活水平的提高，廚房電器已不再僅滿足基本烹飪需求的“剛需”，而是逐漸演變為提升居家品味和滿足生活多元化需求的“添加劑”，除了專注電器本身的功能外，更加注重電器帶來的生活便捷性和簡約時尚。

2017年第一季度，嵌入式一體機市場規模達到1.5億臺，同比增長426.8%。在各種一體機中，具有蒸煮功能的產品表現尤為突出，零售量占比已由2016年1月的1.78%增長至2017年1月的45.73%，為一體機品類中的重要主銷產品。此類產品的主要功能部件是蒸箱，蒸箱由卡扣固定，卡扣的壽命對蒸箱整體使用壽命影響很大。

在本次分析的模型中有一種儲水結構，這種結構由水箱和外框支撐部件組成，其結構類似抽屜結構。不同的是，在水箱底部有一個凹槽，與凹槽相連接的部位是一個凸起的卡扣。卡扣一方面可以定位水箱關閉時候的位置作用，另一方面在水箱關閉的時候提供一個向上的彈力，從而輔助水箱歸位，限制水箱位移以及固定水箱。有了這個結構，即便產品的安裝角度不在水平面上，也可以保證水箱的順利歸位與正常工作。所以卡扣的設計對整個產品至關重要。

通常對于水箱卡扣的設計都是先設計，制作樣機，通過實驗來判定設計是否合理，但是實驗有相關的局限性，例如，實驗無法判斷哪里的結構比較薄弱，只能看到最后斷裂的位置，實驗無法給出如何優化，現設計方案只能保證在實驗測定的使用次數（開起水箱關閉水箱次數）內，卡扣不會出現問題。而通過仿真分析，上述問題完全可以得到解決。

應用仿真面臨的問題有兩方面，一是仿真時間過久，大部分時間都在前處理中浪費；另一個是仿真結果的準確性始終讓很多工程師懷疑。

本文針對卡扣設計，提出兩種解決方法：一是通過簡化卡扣分析模型，減少前處理時間，減少計算時間；二是簡化的模型必然導致仿真結果的不準確，為了彌補仿真精度的降低，通過實驗進行仿真方法的校核，當實驗得出結果與仿真結果趨于一致的時候，即可判定本文中所述的方法可以用于此類產品卡扣設計與分析。從而為相關產品的設計提供一種準確的仿真方法流程，以便輔助產品設計，減少產品開發周期。

二、有限元模型的建立

根據某型號產品結構三維模型，先將模型進行簡化，簡化前后的模型如圖1和圖2所示。定義圖3中紅色面和藍色面為接觸面，接觸面之間的摩擦類型定義為Frictionless。模擬水箱由圖1所示位置拉出的過程中，水箱和卡扣的應力情況，模擬拉出過程中拉出力的情況。定義圖4中藍色面為固定約束面。定義圖5所示黃色面沿著Z軸正方向移動45mm，用來模擬水箱拉出的整個過程。針對簡化后的模型，對各部件進行網格劃分。網格大小為1mm，單元數量253 175個。網格模型如圖6所示，網格質量如圖7所示。

圖1 水箱和固定架示意圖

圖2 簡化模型

圖3 接觸面

圖4 固定約束面

圖5 定義位移

圖6 網格模型

圖7 網格質量

三、求解及材料設定

定義材料參數，卡扣為PC材料，取彈性模量為2 300 MPa，泊松比為0.39。水箱為PA6材料，彈性模量為2 000MPa，泊松比為0. 386。兩種材料的摩擦系數為0.38。

在求解設定中，將Auto Time Stepping打開，定義子步設置，初始迭代步為30步。

四、仿真計算結果

仿真分析中，模擬了水箱拉出過程，為了節省仿真分析時間，本次分析采用了簡化模型的方法，不僅降低了網格數量，而且也節省了計算時間，也為今后工程師快速預測產品性能提供參考。

根據所得結果，首先查看變形圖，如圖8所示，通過變形圖可以很直觀地看出水箱是否完全拉出，以及所得結果是否真實可靠。圖8所示最大位移為水箱沿著Z軸方向移動45mm，與最初始的設定值相同，可以判斷結果可靠。

查看應力情況，本次分析帶有接觸，可以查看整個拉出過程中卡扣和水箱的應力情況，如圖9所示。表1列出圖9中每個采樣點的數據，根據表1中數據可以得出，拉出過程中的最大應力是109.85MPa，發生在卡扣轉角處，如圖10所示標注Max部分，此時卡扣根部應力為73.189MPa，為比較危險容易發生破壞處。圖11為水箱應力結果，表2為拉出過程中水箱最大應力與時間的關系，圖12為水箱在整個拉出過程中的應力隨著時間的變化情況，由于水箱的應力較小，本文中不考慮水箱的破壞。表3中為拉出過程中的拉出力大小，由于本次分析約束了X軸Y軸的位移，所以只考慮Z軸方向的拉出力大小即可。可以看到最大的拉出力為10.199N。

圖8 水箱位移圖

圖9 拉出過程中的最大應力情況

表1 拉出過程中的最大應力與時間關系

序號 Time [s] Maximum [MPa]12 0.925 3.67E-02 13 1 3.66E-02

圖10 卡扣應力結果圖

圖11 水箱的應力情況

表2 拉出過程中水箱最大應力與時間的關系

圖12 拉出力隨時間變化曲線

表3 拉出過程中的拉出力

四、實驗驗證

為了驗證仿真結果的真實性，根據三維圖進行了樣機的制作，用于實驗驗證用。實驗分以下兩部分進行：

第一部分是將外框固定，用機械手反復推拉水箱，從而反復按壓卡扣，實驗分析最開始斷裂的位置卡扣根部圖13中如圈1位置所示，磨損最嚴重的位置如圈2位置所示。實驗指定推拉3萬次后，查看卡扣損壞情況，試驗后的結果如圖13所示。

圖13 實驗后的損壞情況

第二部分實驗是在第一實驗開始前，用拉力計測量水箱拉出力的大小，因為拉力計會自動記錄拉出過程中最大的力，所以可以用拉力計的讀數與仿真最大應力做對比，從而驗證仿真的準確性。圖14所示拉力計拉出力大小為22N和20N，兩次測量取平均值為21N。

圖14 實驗測得拉出力

五、結論

本文對某型號產品蒸箱卡扣進行了仿真分析，通過仿真分析預測了卡扣作用下的水箱拉出力為10.199N（一個卡扣作用），因為模型進行了簡化，所以兩個卡扣同時作用的時候，拉出力為20.398N。實驗測量兩次分別為22N和20N拉力，取平均值為21N。根據以上數據對比可以得出仿真和實驗結果非常接近，誤差為2.9%。

通過對卡扣進行損耗實驗，對比圖10、圖11和圖13，可以看出仿真中應力最大處皆是實驗中磨損最大位置。

通過以上結論可以得出，應用本文中的簡化方法進行蒸箱卡扣仿真分析可以得到準確的預測結果，蒸箱卡扣設計過程中，可以使用本文中的方法進行輔助設計，以便快速發現設計缺陷，并改進設計。