一种窗帘收卷装置有限元分析及结构优化

张 斐，陈 里，孙 伟，荆 莹，包西平

（徐州工业职业技术学院，江苏徐州 221140）

0 引言

现在楼房是近花园式设计，其中低楼层周围会有来往人流、车流，传统窗帘收卷方式主要为左右移动式和上卷式，当打开窗户时，窗户的一侧，比如左右移动式的左侧或右侧、上卷式的下侧均处于暴露位置，来往人流、车流会观察到室内情况，影响室内的隐秘性，而从上往下收卷的一种感光升降窗帘就能够在不影响室内采光的同时保护室内的隐秘性。窗帘收卷装置是非常重要的部件，在窗帘运动的过程中，窗帘收卷装置需要传递电机送出的动力带动其他零件，窗帘需要收卷在窗帘收卷装置的传动轴上，收卷装置还要承受窗帘的重量和电机的扭矩，对收卷装置的刚度和强度具有一定的要求；考虑到感光升降窗帘作为日常使用的产品，窗帘收卷装置也必须满足一定的耐用性。本文将使用ANSY Workbench 软件分析得出云图，判断窗帘收卷装置的强度和刚度能否达标；在刚、强度达标的情况下，针对窗帘收卷装置的耐用性进行优化和仿真[1]。

1 模型创建与简化

本文中的模型是使用Creo 软件进行创建，以“mmns_part_solid”为模板。模型主要由电机、窗户、联轴器、传动轴、同步轮、同步轮支架、收集盒、调节板、调节杆和清理毛垫的模型组成；将各个模型进行组装，模板为“mmns_asm_design”，组成收卷装置、清理装置、同步轮组和收集盒4个装配体，最后将它们组合，生成一个装配体文件[2]。

为降低有限元分析难度，加快分析进程，对模型多余的、不需要分析的部分进行简化，将收集盒和清理装置分别隐藏，将简化后的模型文件保存为stp 文件，供ANSY Workbench软件进行有限元分析[3]。

2 窗帘收卷装置有限元分析和优化

2.1 几何模型

如图1 所示，首先将建好的几何模型导入有限元分析软件中，将收卷装置的材料设置为5083铝合金，其性能参数如表1所示[4]。

图1 模型图

图2 网格划分图

表1 5083铝合金设置参数

2.2 网格划分

进行网格划分，首先定义网格相关度为60，定义划分质量为Medium，定义划分方法为Hex Dominant Method，定义网格大小为15 mm，具体示意图如图2所示[5]。

因为窗帘收卷装置模型比较规则，在进行网格划分时，可以选择六面体形式的网格进行划分。

网格尺寸对结构分析结果的准确度有很大影响。尺寸过大会导致结构分析结果不准确；尺寸过小会导致每次的计算分析时间较长。综合考虑以上因素，本次分析选择一个比较折中的尺寸，即15 mm，在不影响结构分析结果的前提下，最大程度减少了结构的计算时间[6]。

通过网格统计信息可以看到，该模型节点数量为111920个，总单元数量为19265个，如图3所示。

图3 节点与总单元数量截图

2.3 约束及载荷施加

本次分析模拟窗帘收卷装置顶部称重2.7 kg，下面电机承受1.5 N·m 扭矩的工况。具体约束和加载情形如图4～5 所示，与实际情形相符[7]。

图4 施加载荷的侧视图

图5 施加载荷的主视图

2.4 结构变形结果

所有前处理设置完成之后，就可以对模型查看结果。计算完成之后，选择查看模型的等效应力（Equivalent Stress）云图和总的变形量（Total Deformation）云图，如图6～7 所示。首先查看窗帘收卷装置的变形结果。通过图7可以看出，结构的最大位移仅为4.4786×10-3mm，发生在窗帘收卷装置联轴器靠近电机的一端，满足刚度要求。

在窗帘收卷装置其他位置，结构变形量很小，都不超过，1.4431×10-3mm，满足刚度要求[8]。

图6 整体变形量云图

图7 最大变形量云图

2.5 结构应力结果

图8 整体等效应力云图

计算完成之后，选择查看模型的等效应力（Equivalent Stress）云图，如图8 所示。通过查看结构的应力云图可以看出，结构最大应力为10.213 MPa，远小于窗帘收卷装置使用材料的许用应力（145 MPa）[1]，发生在窗帘收卷装置的联轴器靠近同步轮的一端，具体位置如图9所示。

图9 最大等效应力云图

综上所述，在承受上述载荷的工况下，结构不会发生塑性变形，强度可以通过。

2.6 优化与仿真

根据图7，发生的最大变形虽然很小，仅为4.4786×10-3mm，但是发生的位置在联轴器和电机附近。在长期的使用中，微小的变形量可能会导致传动轴、联轴器和电机输出轴的磨损，需要在已有的电机支架的基础上，在传动轴的另一端增加支撑架，以此来约束在窗帘收卷装置的运行过程中联轴器发生的变形。

将优化后的模型在Creo软件中进行仿真分析。进入应用程序栏中的“机构”中，定义伺服电动机，选择设置好的在电机输出轴的销钉约束，在配置文件详情中将“角位置”改为“角速度”，系数设置为180 deg/sec，如图10所示。在机构分析的类型当中将“位置”改为“运动学”，如图11 所示。模拟出窗帘收卷装置运行情况，启动模型，优化后的模型能够正常运行，在运行过程中Creo 软件没有出现报错的情况，各零件间也没有出现不符合实际的接触和干涉，窗帘收卷装置的设计符合实际，且能正常运行。收卷装置运动仿真图如图12所示。

图10 配置文件详情

2.7 结果分析

根据结构变形结果和结构应力结果，窗帘收卷装置的强、刚度都达到了需要的标准，结构的最大变形量出现的部位在联轴器靠近电机的一端，而结构受到的最大应力则出现在联轴器靠近同步轮的一端。为了减少窗帘收卷装置在长期运行中联轴器和电机输出轴的磨损，提高窗帘收卷装置的耐用性，增加了支撑架进行约束。根据仿真分析的结果，窗帘收卷装置的仿真模型运行正常，各零件间的运行情况也符合实际，模型没有出现不符合实际的接触和干涉。

图11 分析定义

图12 收卷装置运动仿真

3 结束语

本文对一种窗帘收卷装置进行了有限元分析，得知结构的最大变形量和最大受力都处于联轴器位置，根据有限元分析结果，窗帘收卷装置的刚度、强度都达到所需标准，并且在此基础上增加了支撑架进行约束。最后通过仿真分析模拟结构的运行情况，模拟出的模型运行情况符合实际情况，验证和模拟了窗帘收卷装置设计的可行性[9]。