調速開關面蓋卡扣安裝斷裂分析與優化

陳旭波 姚思捷 馬 騰 張志穎 夏 添

（寧波公牛電器有限公司 慈溪 315314）

引言

調速開關旋鈕支架在安裝壓入面板過程中發生面板卡扣斷裂如圖1所示，首先需要調查失效原因,然后需要提出優化改進建議。由于結構的特殊性,卡扣上有兩條傳力路徑,互相影響，受力比較復雜,如果用開試驗模的方法進行研究,耗時耗錢很多。于是使用CAE分析進行系統性研究，分3個優化方向進行優化，最后繪制影響曲線。

雖然本文的CAE的準確度不是很高，因為結構已經大面積屈服，而且塑料的屈服理論比較復雜[2]，塑性階段應力的精確計算比較困難，但是因為只有材料屈服這一項誤差影響，整體上看CAE分析結果與試驗值的差距是可控的，還是可以使用CAE軟件進行對比分析的。

1 問題描述及根因分析

調速開關面蓋卡扣斷裂的原因有兩個，一是面蓋上表面噴漆對材料抗拉強度的嚴重削弱，并讓材料變脆。二是卡扣結構設計不合理，應力太大。對以上兩個原因的驗證如下：1）噴涂對PC屈服強度的影響

對未表面噴漆的調速開關面蓋進行安裝試驗，發現卡扣并沒有斷裂，驗證了表面噴漆對材料抗拉強度有嚴重削弱。

2）卡扣結構應力太大

對調速開關旋鈕支架壓入過程進行CAE分析，查看材料屈服面積的大小，材料屈服面積大，證明了應力確實太大，具體操作和結果見本文第2條。

2 調速開關旋鈕支架壓入力的FEA仿真分析

2.1 調速開關旋鈕支架壓入力的FEA仿真方法

2.1.1 FEA模型組成

FEA模型包含兩個部分，面蓋和旋鈕支架，如圖2所示。為了降低計算量，切了1/4用于計算，對稱面需要施加對稱約束。

2.1.2 FEA的接觸設置

建立面板卡扣與旋鈕支架的接觸，如圖2所示。

2.1.3 FEA的約束設置

1）在對稱約束面1和對稱約束面3施加對稱約束，約束平面法向位移，如圖2所示。

2）固定面板底面，如圖2所示。

2.1.4 FEA的加載

在如圖2所示的位置施加強迫位移，0～2.5 mm。

2.2 FEA分析所使用的材料參數

本文研究的面蓋的材料是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]，見表1。

表1 材料參數表

經實測，FEA分析所使用的材料參數如下,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]。

2.3 FEA分析結果

圖3是應力結果，超過63 MPa的區域顯示成灰色，可見即使不考慮表面噴漆對材料強度的影響，假設PC的屈服強度是63 MPa，卡扣也已經有很大面積進入屈服，尤其是開裂位置附近，如圖3箭頭所示，斷裂風險很大。可以證明本文第1條中失效原因（2）。

3 優化方案

3.1 優化思路1

面蓋原始結構在有一個下表面有凸臺，如圖4圓圈處所標，其實這個凸臺只是加強了整個卡扣傳力路徑的剛度，而沒有增加斷裂位置的截面強度。如果取消凸臺(見圖4優化結構A)可以大幅度減低整個卡扣傳力路徑的剛度，降低卡扣接觸力，降低斷裂截面的內力和內力矩，從而降低斷裂截面的應力。

本文所有優化方案的應力計算的讀取位置同初始的實際開裂位置，如圖3所示，后面統稱應力讀取位置為“開裂風險位置”。

原始結構和優化結構A在開裂風險位置的應力和卡扣接觸力見表2。優化結構的A的卡扣剛度顯著降低，令卡扣接觸力下降17.9 %，以致開裂風險位置的截面的內力和內力矩大幅下降，應力下降17.0 %。

3.2 優化思路2

該優化思路將開裂風險位置所在平板局部進行加厚，如圖5所示，該優化思路可以加高開裂風險位置所處的截面高度，增加局部強度。

應力結果和卡扣接觸力見表2，我們發現開裂風險應力幾乎沒有降低，原因是在增加平板局部剛度的情況下，整個卡扣的剛度也同步增加，卡扣的接觸力和摩擦力同步增加，導致開裂風險位置所處的截面的內力和內力矩同步增加，雖說截面的高度和抗彎截面系數增加了，但是綜合來看，應力幾乎沒有降低。

所以，針對施加強迫位移的結構的應力降低，我們不能用常見的施加固定載荷的結構的加強思路，用簡簡單單地增加截面尺寸的方法，有時可能會無功而返。因為強迫位移的結構的載荷是可能會變的，增加了截面尺寸后，結構剛度可能會增加，導致結構的載荷也增加。所以需要考慮，盡量在不大幅度增加結構剛度的情況下，提升結構風險截面的尺寸。或者干脆想辦法增加一條傳力路徑將風險截面的內力載荷轉移至新的傳力路徑上。詳見優化思路3。

3.3 優化思路3

本優化思路的靈感源自中國兵家古代謀略《三十六計》中的兩計：“釜底抽薪”和“圍魏救趙”，就是增加一條傳力路徑將開裂風險位置的內力載荷吸引過來，降低開裂風險位置的內力載荷，從而降低開裂風險位置的應力。其原理是基于載荷是按照各條傳力路徑的剛度來分配內力載荷進行傳遞的規律，剛度大的傳力路徑傳遞的內力載荷大，剛度小的傳力路徑傳遞的內力載荷小。

本優化思路的具體操作如下，在卡扣的中央位置增加一條寬度恒定為0.8 mm的加強筋（高度ΔH可變化，見圖6，圖6是1/4模型，所以加強筋出現在側面），讓這條加強筋把內力載荷更多地從該中部加強筋傳遞，降低兩側開裂風險位置傳遞的內力載荷。

應力結果和卡扣接觸力見表2，我們發現開裂風險應力明顯降低，特別注意到，當加強筋加高到1.4 mm后的卡扣接觸力與優化思路2的加厚平板0.6 mm的卡扣接觸力幾乎一樣，但是加強筋的方案的應力比加厚平板的方案應力小26.8 %。這就證明了，在同樣的外力載荷下，加強筋優化方案可以大幅度把內力載荷從兩側開裂風險位置抽調到中央加強筋位置，降低兩側開裂風險位置傳遞的內力載荷，從而降低卡扣兩側開裂風險位置的應力。

表2 三種優化思路下開裂風險位置的最大拉應力

4 傳力路徑的剛度對載荷傳遞的影響

1）傳力路徑是一種航空和汽車工程師口口相傳的力學概念，簡單歸納一下可以這樣定義，傳力路徑是指結構上的把外力載荷傳遞到約束上的路徑。

在航空界，傳力路徑的設計要訣是，“飛機機身上的傳力路徑主要是通過縱梁傳遞，傳力路徑的設計需要簡單，干脆，直接，上面不要有“硬點”，因為硬點往往有應力集中，引起疲勞問題。”其中這個“硬點”是指一些小的連接構件，相當于小的約束支撐，但是剛度很大，所以連接力很大，如果這些小的約束支撐連接面積很小，就會造成很大的局部應力。

在汽車界，傳力路徑的設計要訣是需要保持連續，不能中斷，一旦中斷，傳力路徑的剛度將嚴重削弱。比如發動機蓋上的沖壓凸起傳力路徑一般會繞著發動機蓋走一整圈，如果無意中把凸起的傳力路徑的局部高度壓扁，就會導致傳力路徑中斷，嚴重減低發動機蓋的剛度，降低發動機蓋的一階自振頻率。另外在汽車前碰撞過程中，一般前縱梁把應力波能量傳遞到前擋風玻璃兩側的A柱上，再往車身后傳遞。如果再增加一條傳力路徑，把前側門和后側門的橫梁與車身中央的B柱之間的接觸間隙以及后側門的橫梁與車身后側的C柱的接觸間隙都做小，這樣前橫梁傳遞過來的應力波能量可以通過前、后側門的橫梁和B、C柱一口氣傳到車身后部，大大增強車身的抗前碰撞能力。

2）從以上工程經驗來看，傳力路徑的基本定義和基本設計思路是明確的，要求保持現有傳力路徑的有效性以及試圖增加傳力路徑以增加整體強度和剛度上。但是以前行業內沒有明確提出增加了傳力路徑后對原有傳力路徑的載荷的削弱影響，也沒有提出通用性的增加傳力路徑以降低原有傳力路徑的思路方法，增加傳力路徑有時被簡單理解為增加結構的截面尺寸以增加結構截面的整體抗彎截面系數這種傳統的單傳力路徑的加強思路。舉個例子，車身底盤的鈑金連接位置開裂，所以在附近增加其他鈑金連接以減低應力，就一般會理解為附近增加的鈑金是整體性加強了局部截面高度，而不是增加了傳力路徑。所以，以往的力學界對傳力路徑的研究并未非常深入。至于定量的研究多條可能的傳力路徑的剛度敏感性就更加少見。

5 小結

本文對調速開關面蓋卡扣安裝斷裂原因進行分析，首先利用FEA軟件計算了調速開關旋鈕支架壓入力進行了分析，然后利用CAE方法研究了三種不同的優化設計思路的效果，最后用傳力路徑分析法對第三種優化思路的效果原理進行了解釋。建立了一種解決應力過大問題的全新的方法論，對本公司的其它產品設計的應力設計具有很高的參考價值。

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。