安装孔带斜坡的墙壁开关(插座)固定架FEA刚度分析方法

唐雪龙 陈旭波 姚思捷 胡友才 彭美南

（宁波公牛电器有限公司 慈溪 315314）

引言

墙壁开关（插座）固定架（以下简称“固定架”）在安装时，在螺栓孔处承受螺栓预紧力作用，如果固定架刚度不足，将引起其整体发生较大的变形，同时内部零件也会相应发生较大幅度变形，从而引起开关按钮无法拨打或者拉电弧，或者引起插座插头插入不到位，过热损坏等严重后果。所以固定架刚度的保证是非常重要的。

新型固定架在螺栓安装孔的环形面上设置了斜坡面，以增加斜向力来增加固定架刚度，因为斜坡面会压溃，增加螺栓头的摩擦系数，降低预紧力，从而降低固定架变形。如图1所示。本文所讨论的固定架就是这种固定架。

图1 墙壁开关(插座)固定架安装螺栓孔结构及刚度试验夹具示意图

按照公司内部规定，测试固定架刚度的方法为，将固定架置于特制的台架上，固定架两边搭接在台架上，两搭接边间距75 mm，使用叉形压头在螺栓孔处加载500 N，测量螺栓孔边缘的位移S，固定架刚度的定义为K=500/S，单位N/mm。

1 问题现状

对于螺栓安装孔带斜坡的固定架，FEA刚度分析是非常困难的，按照目前的方法（本文“方法1”）进行分析，用图2的方式计算的变形值与试验值差距可能达到30 %以上，该差距无法接受。原因是安装螺栓的螺栓头会压溃固定架斜坡面，造成侧向力，竖直向下的加载模式不适合该结构，如图2所示。但是如果使用螺栓头进行复杂的接触分析（本文“方法2”），如图3所示，斜坡面一旦压溃，塑料的高度屈服给FEA计算带来巨大困难，计算到中途会计算不下去，而且计算时间非常漫长。

图2 简化的竖直加载全螺栓孔的方法的分析模型

图3 复杂的螺栓头接触仿真方法的FEA分析模型

能否创造出一种全新的简单的FEA方式，而且计算结果与试验值准确度在10 %左右，用FEA刚度分析来代替试验，加快研发进度？

2 FEA仿真方法

2.1 简化的竖直加载全螺栓孔的方法

这是目前使用的一种简化的FEA刚度分析方法，约束固定架的A侧与支架接触的边缘(虚线所示)的三个方向自由度UXUYUZ，约束固定架的B侧与支架接触的边缘(虚线所示)的一个方向自由度UZ。在两个螺栓安装孔处分别施加Z方向向下250 N，用RBE2分散在整个螺栓孔环形面上，如图4所示。

2.2 方法2：复杂的螺栓头接触仿真方法

用两根4×4 mm的钢轨托住固定架，之间建立接触，钢轨之间的距离等于图4中支架AB两侧接触边缘的距离。上面用两个Ø6 mm的圆柱压头压在螺栓孔环形面上，建立接触，在圆柱压头上施加强迫位移往下压，如图5所示。

图4 简化的竖直加载全螺栓孔的方法的详细FEA分析模型

图5 复杂的螺栓头接触仿真方法的详细FEA分析模型

该分析时间非常漫长，长达几个小时，进行到中途便停止，螺栓孔环形面发生严重塑性变形[3]，螺栓头已经侵入接触面，如图6所示，此时两螺栓孔的总压力仅有367.6 N。

图6 方法2的FEA应力变形云图

2.3 简化的竖直加载螺栓接触面的方法

约束加载方法同本文“方法1”，唯独不同的是加载面，加载面从整个环形面变成了斜坡面上与螺栓头接触的局部，如图7所示。

图7 简化的竖直加载螺栓接触面的方法的详细FEA分析模型

2.4 简化的法向加载螺栓接触面的方法

约束加载方法同本文2.1，唯独不同的是加载面，加载面从整个环形面变成了斜坡面上与螺栓头接触的局部，而且方向从竖直向下，变成了沿斜坡面法向向下，但两个螺栓孔的加载力的竖直方向分量之和依然是500 N，如图8所示。

图8 简化的法向加载螺栓接触面的方法的详细FEA分析模型

2.5 简化的45 o加载螺栓接触面的方法

约束方法同本文“方法1”，唯独不同的是加载面，加载面从整个环形面变成了斜坡面上与螺栓头接触的局部，而且方向从竖直向下，变成了与竖直方向成45 °夹角，但两个螺栓孔的加载力的竖直方向分量之和依然是500 N，如图9所示。

图9 简化的45 °加载螺栓接触面的方法的详细FEA分析模型

3 FEA分析所使用的材料参数

FEA分析所使用的材料参数如表1，计算刚度时FEA软件只需要输入弹性模量E，泊松比μ，剪切模量G无需输入，FEA软件会根据E和μ自动计算出G[1]。

表1 材料参数表

4 墙壁开关(插座)固定架刚度测试与FEA结果对比

使用万能试验机对固定架刚度进行测量，如图10所示，压头固定在万能试验机上向下压，施加500 N，固定架放置在特制的支架上，固定架与支架仅在A侧和B侧两边缘接触，如图11所示。然后测量固定架边缘的位移量S。如图所示。固定架的刚度K定义为K=500/S，单位N/mm。

图10 使用万能试验台和专用夹具测试固定架刚度

图11 测试固定架刚度所用的专用夹具和压头

由于高分子材料具有粘弹性，测试的时间将对结果影响明显[2]，本文对测试时间的规定为5 s内测量位移量。

使用某型固定架A为对象，使用以上方法进行刚度测试，数据如表2所示。目前使用的FEA方法1的结果与试验值差距最大，达到-33.8 %。最复杂的FEA方法2的结果与试验值差距最小，达-8.7 %（FEA分析在加载到368 N后终止，详见本文2.2，于是试验时也加载368 N）。FEA方法3，FEA方法4，FEA方法5是三种创新的简化FEA方法，其中FEA方法5的结果与试验值的差距最小，达-9 %。所以选用FEA方法5作为以后标准的固定架刚度的简化FEA计算方法。

表2 固定架A的位移FEA分析结果与位移试验值

5 对FEA方法5的扩大试验验证

使用另外三种型号的固定架B，C，D进行刚度试验，同时使用FEA方法5对其进行计算，对比两批结果，如表3所示。

表3 多型号固定架位移FEA分析结果与位移试验值

可见FEA方法5的结果与试验值高度吻合，差距在-7.5～2.3 %。证明该FEA方法是一种非常稳定可靠的固定架刚度的计算方法，可普遍适用于不同外形的固定架，而且由于不需要做接触，非常简单，所以计算时间非常短，高效快速。

6 小结

本文对安装孔带斜坡的墙壁开关(插座)固定架的刚度FEA分析方法进行了研究，并且与试验值进行了对比。研究了5种不同的FEA方法，淘汰了目前的FEA方法1以及其它3种FEA方法，选取了FEA方法5，即简化的45 °加载外侧螺栓孔的计算方法作为标准的固定架刚度计算方法。

该研究成果可以加快研发进程，节约修改模具的成本，保证产品的性能。并且为将来的固定架轻量化研究打下坚实的基础。

本研究证明了FEA力学分析技术可以非常高效快速地协助设计，帮助解决产品力学性能问题，辅助研究产品的改善方向，是值得电工行业大力推广的高科技研发技术。