基于ANSYS的消毒柜升降机构有限元分析--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

基于ANSYS的消毒柜升降机构有限元分析

发表时间：2020/8/19 来源：《基层建设》2020年第10期作者：孙凯

[导读] 摘要：家用消毒柜目前被广泛应用于厨房家电当中，但其在使用过程中存在下层碗篮高度落差大、抬升费力的问题。

        美的洗涤电器制造有限公司广东佛山 528300
        摘要：家用消毒柜目前被广泛应用于厨房家电当中，但其在使用过程中存在下层碗篮高度落差大、抬升费力的问题。基于ADAMS对改进后的消毒柜层架升降机构进行动力学仿真及分析。仿真中主要针对碗篮的抬升过程，并引入气弹簧模型进行仿真结果分析。结果表明，改进后基于平行四边形抬升机构以及气弹簧助力机构的层架升降机构可以实现抬升过程中的省力作用，也验证了机构设计的可行性。
        关键词：消毒柜；层架升降机构；ADAMS；动力学仿真
        前言
        随着物联网信息技术的发展，家用厨房电器也在不断的升级换代，消毒柜便是其中较为重要的一种。目前市场中的大多数消毒柜都与洗碗机等相关电器配套使用，安装于烹饪器具下方的橱柜中，以双层、三层结构为主。为解决现有的消毒柜下层碗篮位置低；提升过程中所需力较大；用户体验差等问题，已有人设计了一种家用双层消毒柜碗篮抬升机构。本文对现有的抬升机构进行优化，加入气弹簧缓冲装置，实现省力缓冲的作用；并基于ADAMS对整套装置进行动力学仿真，对比有无气弹簧的仿真结果，验证层架升降机构结构设计的合理性。
        1层架升降机构简介
        消毒柜层架升降机构的主体采用四连杆机构，碗篮抬升过程分为两步：第一步是水平滑轨抽拉至限定位置；第二步是四连杆从竖直状态旋转至水平状态，其机构图以及提升过程中的状态图如图1所示。四连杆式消毒柜升降机构主要由以下几个模块组成：滑轨抽拉及抬升模块、气弹簧缓冲省力模块、限位及锁死模块，以及门把手释放模块。本文针对抬升中的第二步垂直抬升过程，基于ADAMS软件平台进行装置的动力学仿真，并结合理论分析验证层架升降机构结构设计的合理性。
        2 ANSYS有限元仿真
        2.1四连杆机构及传动轴分析建模
        在模型简化时去掉消毒柜内胆、碗篮以及一些连接件与紧固件，对碗篮简化为一块厚度为U型钣金件用以模拟受力情况，保留连杆以及连杆对应的传动轴。由于整体机构是对称结构，因此利用有限元分析中的对称性简化模型进行简化。模型的材料属性统一采用304不锈钢材料，分别对消毒柜碗篮升降机构初始位置以及碗篮抬升机构升到最高处的最终位置施加约束以及网格划分后进行建模分析。初始位置，对于碗篮，对称性简化之后，U型钣金在对称面上应该限制垂直对称面方向的位移以及平行对称面的旋转；对于传动轴，初始状态可认为没有转矩，因此固定两根传动轴的中间部分，前轴连接有气弹簧助力模块，在初始状态时气弹簧不产生力，但是起到支撑作用，因此固定前轴与助力模块相连的两个面。碗篮设计载荷为150N，由于对称性，在U型钣金件表面施加75N的力模拟实际碗篮的重量。最终位置，其模型简化方式与初始状态相同，网格大小、网格划分方法以及载荷施加方式也相同。区别在于在固定传动轴的中间部分时只限制其位移，不限制其旋转，同样固定前轴与助力模块接触的面。网格划分中碗篮采用AutomaticMethod方式划分网格，网格类型为Automatic；两根连杆以及传动轴杆采用PatchConforningMethod方法划分网格，网格类型为Tetrahedrons。为方便求解计算以及结果分析，对模型不同位置采用不同网格大小。碗篮型钣金件的网格大小记为SizeA；前后两根连杆的网格大小记为SizeB；两根传动轴的网格大小记为SizeC。连接界面处的网格大小记为SizeD。改变网格的大小进行相同约束条件以及载荷条件的分析计算，进行比对计算分析，初始状态与最终状态的同组Size值相同。
        2.2水平释放零件建模
        水平释放零件上方的轴是该零件上最细的轴，且挂有复位拉簧，因此为分析的重点。

期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆

其上所挂复位弹簧参数为1x8x35，根据模型运动时可知其最大拉伸长度约为55mm，此时的受力约为30N，按照40N进行计算，固定下方的转轴以及与连杆接触的曲面，在上方挂有弹簧的轴上施加40N的力。水平释放零件较为复杂，采用PatchConforningMethod方法划分网格，网格类型为Tetrahedrons。主体网格大小记为SizeE；相关轴的网格大小记为SizeF；连接处的网格大小记为SizeG。改变网格的大小进行相同约束条件以及载荷条件的分析计算，进行比对计算分析。
        2.3水平释放触发杆建模
        水平释放触发杆是将人力传动给水平释放零件使其能够转动释放连杆的零件。根据结构可知拉动水平释放零件转动需要克服弹簧提供的复位转矩，弹簧力按照40N计算，根据力臂长度，触发杆上需要约60N的力，固定右侧孔。采用PatchConforningMethod方法划分网格，网格类型为Tetrahedrons，网格大小选择ElementSize的值为5mm和2mm，改变网格的大小进行相同约束条件以及载荷条件的分析计算。
        3仿真结果及分析
        3.1理论受力及位移分析
        在仿真的后处理过程中主要导出的是三个构件的应力云图以及位移云图，通过位移和应力两个量的结合能更好判断构件的相应状态。构件的受力均从碗篮的设计载荷150N传递而来，仿真过程的载荷条件中已对构件的受力进行了简化，不再赘述。将构件都近似为理想刚体，构件的微位移主要是由于拉压变形以及扭转变形导致随着网格的细化，最大应力会有所波动，但变化不大。初始状态最大值在10Mpa左右，最终状态下的最大应力值在30Mpa左右，由于304不锈钢的屈服强度在205MPa左右，计算的结果远远小于屈服强度，因此四连杆强度能够满足安全要求。从计算结果的位移分布图中可以看出，传动轴的最大位移以及最大应力都分布在前连杆与传动轴连接部位的轴径变化处，这是碗篮重力与轴径突变产生应力集中共同作用的结构，符合实际情况。传动轴的最大位移值随网格细化而有增大的趋势，但变化极小，初始状态与最终状态的最大位移均不足0.001mm，可忽略不计。传动轴的最大应力值随网格细化也有增大的趋势，当细化到一定程度后增加的幅度减小，可见网格细化后的最大应力值逐步接近真实值，初始状态下最大应力约为8Mpa，最终状态下最大应力约为29Mpa，可见最终状态受力较大，符合实际情况，但最大应力均远小于304不锈钢的屈服强度，传动轴安全可靠。
        3.2水平释放零件
        从计算结果可以看出，水平释放零件的最大位移出现在上方挂有复位弹簧的轴的最外端，最大应力则在该轴与主题的连接部位，符合悬臂梁类型的位移分布。不同网格划分条件下计算所得的水平释放零件的最大位移值最大位移在0.039mm左右，最大位移值较小，在安全范围内；最大应力值在68Mpa左右，小于304不锈钢的屈服强度，焊接后许用拉应力约为0.6倍抗拉强度，304不锈钢抗拉强度为520Mpa，0.6倍抗拉强度为312Mpa，由此可见水平释放零件符合安全要求。
        结束语
        通过仿真可得：在施加额定的载荷或外力后，四连杆机构以及传动轴、水平释放零件和水平释放触发杆的最大位移以及最大应力出现位置均符合实际情况分析；最大位移的值均位于安全范围之内；最大应力均远小于所用材料304钢屈服强度。因此可得，在施加额定的载荷之后，消毒柜升降机构能达到设计要求并处于安全范围之内，也验证了设计机构的可靠性。
        参考文献：
        [1]张成志，王志坤.家庭智能消毒柜设计[J].河北农机，2018（07）：58-59.
        [2]王先昌，黄宝专，韩卫国.基于用户需求的家用消毒柜创新设计策略研究[J].设计，2017（21）：114-115.