墙壁插座面板米粒筋对面板脱扣力的影响研究

陈旭波 姚思捷 马 腾 张志颖 龚光辉

（宁波公牛电器有限公司 慈溪 315314）

引言

按照企业标准，为保障墙壁插座产品在使用过程中的可维修性，要求墙壁插座面板在维修时便于拆卸，本公司规定面板的脱扣力在15～80 N之间，在面板中央加载，如图1所示。一般而言，面板的最佳脱扣力为35 N。为保证不同插座产品面板的脱扣力始终在最佳值上。对影响面板脱扣力的关键影响因素进行系统性研究非常重要。

在公司历史上，曾发生过面板脱扣力偏小不合格的问题，后来发现是因为面板米粒筋高度做小0.1 mm了，按照既定思维，面板米粒筋仅仅是保证面板不晃动的小特征，对面板脱扣力不应该会造成大的影响，但是实际却出乎意料，0.1 mm的偏差令脱扣力下降接近4 N，如果脱扣力的设计值偏小，面板米粒筋与固定架的间隙（如图1所示）过大将直接导致面板脱扣力不合格。为此，精确地研究面板米粒筋与固定架的间隙对面板脱扣力的影响是必需的。

图1 分析结构的示意图

1 研究方法

电工行业传统的研究问题的方法为直接做几个手板，然后做试验，得到变量对应变量的影响曲线，事实上，这样的方法时间和金钱成本都很高。CAE技术可以在几乎零成本的前提下，快速进行大量的系统性研究，方便快速的几何或者材料参数的修改，立即得到计算结果，再根据计算得到的影响曲线进行优化设计。

但是CAE技术的基础是建立在CAE分析的计算结果与试验值高度匹配的基础上，要做到这一点需要深厚的力学理论，工程经验和大量的数据测量作为基础，但是一旦某类产品的某种力学性能的某套CAE分析方法经过试验检验，各项输入参数和模型设置都验证完善，则该套CAE方法便可以应用于同类型各种不同造型产品的该力学性能的分析计算，而且结果的获取几乎是零成本和零等待。

本文有关插座面板脱扣力CAE分析的各项设置（材料，网格，边界条件）已经经过层层研究，使用经过验证的试验设备和试验方法，确保试验结果的分散性较小，最后确保CAE分析的结果与试验值的匹配高度吻合，可以用于系统性地研究面板脱扣力的影响因素。

2 面板脱扣力的FEA仿真分析与试验对标

2.1 面板脱扣力的FEA仿真方法

2.1.1 FEA模型组成

FEA模型包含两个部分，面板和固定架，如图2所示。为了降低计算量，切了一半计算，对称面需要施加对称约束。

图2 有限元分析用模型

2.1.2 FEA的接触设置

1）面板前卡扣与固定架卡扣槽的接触；

2）面板前米粒筋与固定架边缘的接触；

3）面板后卡扣与固定架卡扣槽的接触；

4）面板后米粒筋与固定架边缘的接触。

2.1.3 FEA的约束设置

固定架约束固定架的螺栓孔。

2.1.4 FEA的加载

在如图3所示的位置施加垂直面板边缘平面向上（Y方向）的脱扣力。

图3 面板脱扣力试验台和正在做脱扣力试验的面板

2.2 FEA分析所使用的材料参数

本文研究的面板的材料是PC，通过注塑成型的方式制造。但是高分子材料的注塑条件，比如注塑压力和注塑速度，均会对注塑件的弹性模量造成很大影响[3]。

经实测，FEA分析所使用的材料参数如表1，计算时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

2.3 面板脱扣力试验与FEA结果对比

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。

某型插座的面板脱扣力试验值如表2所示，说明FEA计算是可靠的。

表2 面板脱扣力(Y方向)的FEA计算值和试验值

3 面板米粒筋与固定架的间隙对面板脱扣力的影响研究

3.1 面板米粒筋与固定架的间隙对面板脱扣力的影响曲线

让面板米粒筋与固定架的间隙在（-0.1～0.6）mm之间变化，用FEA软件进行计算出其对应的脱扣力值，绘制出接触圆角R对面板脱扣力的影响曲线，如表3和图4所示。

图4 面板米粒筋与固定架的间隙对面板脱扣力的影响

表3 接触圆角R对面板脱扣力的影响敏感度

根据表3面板脱扣力数据绘制出图4。

由图4曲线可看出，如果面板米粒筋与固定架的间隙太大，相对正常状态（见图5（b）），会导致面板的后卡扣位置向前方和下方移动，见图5（a），令面板的前卡扣的扣合量下降，导致脱扣力降低。

然而，如果面板米粒筋与固定架的过盈太大，会导致面板的前卡扣位置和后卡扣位置分别向外部移动，相对正常状态（见图5（b）），见图5（c），也会导致面板的前卡扣的扣合量下降，导致脱扣力降低。

图5 不同间隙下面板脱扣时后卡扣的变形与移动状态

由图4曲线还可看出，很明显，整体上，相比间隙设计值-0.1 mm，间隙加大或减小时面板脱扣力都是基本呈线性变化，变化速度恒定，而且间隙加大时的曲线斜率比间隙减小时的曲线斜率大，面板脱扣力降低更快。

3.2 面板米粒筋与固定架的间隙对面板脱扣力的影响敏感度曲线

变量对应变量的影响敏感度定义为应变量的变化率/变量的变化率。

根据表3影响敏感度的计算结果，绘制出面板米粒筋与固定架的间隙对面板脱扣力的影响敏感度曲线，如图6所示。

图6 面板米粒筋与固定架的间隙对面板脱扣力的影响敏感度曲线

由图6可以看出，整体上，相比间隙设计值-0.1 mm，间隙加大或减小时其对面板脱扣力的影响敏感度都是基本呈线性增加，变化速度基本恒定。当面板米粒筋与固定架的间隙为-0.40～0.05 mm时，该间隙对面板脱扣力的影响为低敏感度（绝对值＜0.3），当面板米粒筋与固定架的间隙≥0.1 mm，≤0.5 mm时，该间隙对面板脱扣力的影响为中敏感度（绝对值＞0.3）。

4 优化建议

1）虽然面板米粒筋与固定架的间隙对面板脱扣力的影响敏感度不大，但是从绝对值来说，影响还是不容忽视，仅仅变化0.1 mm，就有4 N的变化，对于脱扣力比较小的面板，对面板米粒筋与固定架的间隙需要尽量严格。否则脱扣力可能过小，不合格。

2）从图6的曲线可以看出来，当前的间隙设计值-0.1 mm（过盈0.1 mm）没有完全发挥卡扣的潜力，如果把过盈设计在0.15～0.2 mm，会完全发挥卡扣的潜力，面板脱扣力比目前的设计值20.72 N大1.78 N。

5 小结

本文对面板米粒筋与固定架的间隙的影响进行了研究，先利用FEA软件计算面板的脱扣力，并充分验证影响FEA软件计算结果的6大输入参数：网格，接触，约束，载荷，材料参数，摩擦系数等，以使FEA结果与试验值6差距在10 %左右。然后利用该准确的FEA分析模型，分析了不同面板米粒筋与固定架的间隙对面板脱扣力的影响曲线和影响敏感度曲线。最后结合该影响曲线及试验结果作出了过盈设计在0.15～0.2 mm是最佳值的结论。

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。