墻壁插座面板米粒筋對面板脫扣力的影響研究

陳旭波 姚思捷 馬 騰 張志穎 龔光輝

（寧波公牛電器有限公司 慈溪 315314）

引言

按照企業標準，為保障墻壁插座產品在使用過程中的可維修性，要求墻壁插座面板在維修時便于拆卸，本公司規定面板的脫扣力在15～80 N之間，在面板中央加載，如圖1所示。一般而言，面板的最佳脫扣力為35 N。為保證不同插座產品面板的脫扣力始終在最佳值上。對影響面板脫扣力的關鍵影響因素進行系統性研究非常重要。

在公司歷史上，曾發生過面板脫扣力偏小不合格的問題，后來發現是因為面板米粒筋高度做小0.1 mm了，按照既定思維，面板米粒筋僅僅是保證面板不晃動的小特征，對面板脫扣力不應該會造成大的影響，但是實際卻出乎意料，0.1 mm的偏差令脫扣力下降接近4 N，如果脫扣力的設計值偏小，面板米粒筋與固定架的間隙（如圖1所示）過大將直接導致面板脫扣力不合格。為此，精確地研究面板米粒筋與固定架的間隙對面板脫扣力的影響是必需的。

圖1 分析結構的示意圖

1 研究方法

電工行業傳統的研究問題的方法為直接做幾個手板，然后做試驗，得到變量對應變量的影響曲線，事實上，這樣的方法時間和金錢成本都很高。CAE技術可以在幾乎零成本的前提下，快速進行大量的系統性研究，方便快速的幾何或者材料參數的修改，立即得到計算結果，再根據計算得到的影響曲線進行優化設計。

但是CAE技術的基礎是建立在CAE分析的計算結果與試驗值高度匹配的基礎上，要做到這一點需要深厚的力學理論，工程經驗和大量的數據測量作為基礎，但是一旦某類產品的某種力學性能的某套CAE分析方法經過試驗檢驗，各項輸入參數和模型設置都驗證完善，則該套CAE方法便可以應用于同類型各種不同造型產品的該力學性能的分析計算，而且結果的獲取幾乎是零成本和零等待。

本文有關插座面板脫扣力CAE分析的各項設置（材料，網格，邊界條件）已經經過層層研究，使用經過驗證的試驗設備和試驗方法，確保試驗結果的分散性較小，最后確保CAE分析的結果與試驗值的匹配高度吻合，可以用于系統性地研究面板脫扣力的影響因素。

2 面板脫扣力的FEA仿真分析與試驗對標

2.1 面板脫扣力的FEA仿真方法

2.1.1 FEA模型組成

FEA模型包含兩個部分，面板和固定架，如圖2所示。為了降低計算量，切了一半計算，對稱面需要施加對稱約束。

圖2 有限元分析用模型

2.1.2 FEA的接觸設置

1）面板前卡扣與固定架卡扣槽的接觸；

2）面板前米粒筋與固定架邊緣的接觸；

3）面板后卡扣與固定架卡扣槽的接觸；

4）面板后米粒筋與固定架邊緣的接觸。

2.1.3 FEA的約束設置

固定架約束固定架的螺栓孔。

2.1.4 FEA的加載

在如圖3所示的位置施加垂直面板邊緣平面向上（Y方向）的脫扣力。

圖3 面板脫扣力試驗臺和正在做脫扣力試驗的面板

2.2 FEA分析所使用的材料參數

本文研究的面板的材料是PC，通過注塑成型的方式制造。但是高分子材料的注塑條件，比如注塑壓力和注塑速度，均會對注塑件的彈性模量造成很大影響[3]。

經實測，FEA分析所使用的材料參數如表1，計算時只需要輸入彈性模量E，泊松比μ，剪切模量G無需輸入，FEA軟件會根據E和μ自動計算出G[1]。

表1 材料參數表

2.3 面板脫扣力試驗與FEA結果對比

由于高分子材料具有粘彈性，測試的時間將對結果影響明顯[2]，本文對測試時間的規定為5 s內測量位移量。

某型插座的面板脫扣力試驗值如表2所示，說明FEA計算是可靠的。

表2 面板脫扣力(Y方向)的FEA計算值和試驗值

3 面板米粒筋與固定架的間隙對面板脫扣力的影響研究

3.1 面板米粒筋與固定架的間隙對面板脫扣力的影響曲線

讓面板米粒筋與固定架的間隙在（-0.1～0.6）mm之間變化，用FEA軟件進行計算出其對應的脫扣力值，繪制出接觸圓角R對面板脫扣力的影響曲線，如表3和圖4所示。

圖4 面板米粒筋與固定架的間隙對面板脫扣力的影響

表3 接觸圓角R對面板脫扣力的影響敏感度

根據表3面板脫扣力數據繪制出圖4。

由圖4曲線可看出，如果面板米粒筋與固定架的間隙太大，相對正常狀態（見圖5（b）），會導致面板的后卡扣位置向前方和下方移動，見圖5（a），令面板的前卡扣的扣合量下降，導致脫扣力降低。

然而，如果面板米粒筋與固定架的過盈太大，會導致面板的前卡扣位置和后卡扣位置分別向外部移動，相對正常狀態（見圖5（b）），見圖5（c），也會導致面板的前卡扣的扣合量下降，導致脫扣力降低。

圖5 不同間隙下面板脫扣時后卡扣的變形與移動狀態

由圖4曲線還可看出，很明顯，整體上，相比間隙設計值-0.1 mm，間隙加大或減小時面板脫扣力都是基本呈線性變化，變化速度恒定，而且間隙加大時的曲線斜率比間隙減小時的曲線斜率大，面板脫扣力降低更快。

3.2 面板米粒筋與固定架的間隙對面板脫扣力的影響敏感度曲線

變量對應變量的影響敏感度定義為應變量的變化率/變量的變化率。

根據表3影響敏感度的計算結果，繪制出面板米粒筋與固定架的間隙對面板脫扣力的影響敏感度曲線，如圖6所示。

圖6 面板米粒筋與固定架的間隙對面板脫扣力的影響敏感度曲線

由圖6可以看出，整體上，相比間隙設計值-0.1 mm，間隙加大或減小時其對面板脫扣力的影響敏感度都是基本呈線性增加，變化速度基本恒定。當面板米粒筋與固定架的間隙為-0.40～0.05 mm時，該間隙對面板脫扣力的影響為低敏感度（絕對值＜0.3），當面板米粒筋與固定架的間隙≥0.1 mm，≤0.5 mm時，該間隙對面板脫扣力的影響為中敏感度（絕對值＞0.3）。

4 優化建議

1）雖然面板米粒筋與固定架的間隙對面板脫扣力的影響敏感度不大，但是從絕對值來說，影響還是不容忽視，僅僅變化0.1 mm，就有4 N的變化，對于脫扣力比較小的面板，對面板米粒筋與固定架的間隙需要盡量嚴格。否則脫扣力可能過小，不合格。

2）從圖6的曲線可以看出來，當前的間隙設計值-0.1 mm（過盈0.1 mm）沒有完全發揮卡扣的潛力，如果把過盈設計在0.15～0.2 mm，會完全發揮卡扣的潛力，面板脫扣力比目前的設計值20.72 N大1.78 N。

5 小結

本文對面板米粒筋與固定架的間隙的影響進行了研究，先利用FEA軟件計算面板的脫扣力，并充分驗證影響FEA軟件計算結果的6大輸入參數：網格，接觸，約束，載荷，材料參數，摩擦系數等，以使FEA結果與試驗值6差距在10 %左右。然后利用該準確的FEA分析模型，分析了不同面板米粒筋與固定架的間隙對面板脫扣力的影響曲線和影響敏感度曲線。最后結合該影響曲線及試驗結果作出了過盈設計在0.15～0.2 mm是最佳值的結論。

本研究證明了FEA力學分析技術可以非常高效快速地協助設計，幫助解決產品力學性能問題，輔助研究產品的改善方向，是值得電工行業大力推廣的高科技研發技術。