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基于OptiStruct的冰箱铰链承载能力仿真分析

2018/11/25    来源:互联网    作者:段新峰  王利亚  龚纯  李忠华  常见虎  张善军  周少锋      
关键字:铰链  承载能力  OptiStruct  仿真分析  
本文以某款冰箱中铰链为对象,简述了其轴向静力承载性能实验测试方法,并通过Altair公司的HyperMesh和OptiStruct软件对这一非线性过程进行了仿真模拟。

1 引言

    冰箱铰链是连接冰箱门体与箱体的重要零部件,也是冰箱门体及门体负载的承重结构,其强度性能直接影响冰箱整机密封可靠性及冰箱门体开门性。在冰箱产品开发过程中,冰箱铰链需要进行一系列的强度校核实验,包括静力、整机振动、整机跌落及结构疲劳等。其中,静力实验大多是基于铰链单体样品进行的,操作相对比较简单,并且实验结果直接体现铰链结构强度设计的优劣,因此常用静力实验结果作为铰链方案初步评估及优选的重要依据。但是,采用这种实验评价方式,必须先进行实物样件的制作,有时还需几轮迭代、反复试错,耗时耗力。

    近几年CAE技术迅猛发展,越来越多家电厂商开始引入仿真手段辅助产品开发。借助CAE仿真,可在样品制作之前或者开模前期进行方案初步评估与优化,大大缩短产品开发周期、降低研发成本、提高产品性能。本文以某款冰箱中铰链为对象,测试了其静力承载性能,并通过OptiStruct对静力实验进行了仿真模拟。

2 中铰链静力承载简化实验方法

    冰箱铰链按位置可以分为上铰链、中铰链及下铰链,图1给出了某典型三门冰箱实物示意图。中铰链通过两颗螺钉固定到箱体中梁结构上,其主要外载荷来源于门体及门体负载。由于门体的重心与铰链的支撑位置并不重合,导致门体铰链会同时承受轴向及径向载荷。为了便于实验操作,在进行铰链单体结构静力实验时,是将这两种载荷进行分离,分别考察铰链的轴向承载能力及径向承载能力。

典型三门冰箱中铰链结构示意图

图1 典型三门冰箱中铰链结构示意图

    铰链市场不良汇总结果表明,中铰链容易产生向下的轴向变形,因此中铰链重点评估其轴向承载能力。为了更好模拟中铰链在冰箱箱体上的安装方式,专门设计了一个L型钢质工装。静力实验整体布置如图2所示,铰链使用螺钉固定到工装竖直面板上,通过万能试验机的压盘对铰链轴缓慢施加竖直向下的位移载荷,并记录整个过程的载荷-位移曲线,如图3所示(图中三条曲线分别为选定型号中铰链3个样品的测试结果)。载荷随着位移的增大而增大,但其增长速率越来越小。轴向位移达到10mm时,3个样品的轴向载荷测试值分别为856N、868N及910N。这种载荷测试结果的离散性可能是由于样品波动及测试误差导致的。

中铰链轴向承载测试现场图

图2 中铰链轴向承载测试现场图

中铰链轴向承载性能曲线

图3 中铰链轴向承载性能曲线

3 中铰链静力承载实验仿真分析

    3.1 模型简化及网格划分

    中铰链3D模型如图4所示。铰链轴与铰链基座之间是采用铆接方法进行连接,静力实验以及铰链市场不良结果中均没有发现两者的分离现象,因此通过HyperMesh进行有限元建模时,铰链轴与铰链基座之间通过共节点连接。为了较准确考虑铰链基座上压筋的强化作用,整个中铰链采用体单元离散,基座厚度方向划分5层网格。实验用压盘通过圆柱体模拟,采用六面体单元划分,整体有限元模型如图5所示。

中铰链3D模型

图4 中铰链3D模型

中铰链轴向压缩有限元模型

图5 中铰链轴向压缩有限元模型

    3.2 材料力学参数获取及定义

    根据有限元理论,仿真结果的准确性与所采用的材料模型及材料参数直接相关。为了获取铰链材料参数,进行了标准拉伸样条制作,并使用Instron万能材料试验机开展准静态拉伸实验(如图6所示)。借助工程应力应变到真实应力应变的转换方程,将测试直接获取的工程应力应变曲线转化为真实应力应变曲线。去除弹性应变,即可获得真实应力-塑性应变曲线,如图7所示,可将其作为铰链材料塑性参数输入。

中铰链材料样条拉伸实验

图6 中铰链材料样条拉伸实验

中铰链材料应力-塑性应变曲线

图7 中铰链材料应力-塑性应变曲线

    3.3 边界条件、接触及求解控制关键参数定义

    静力实验中,工装及螺钉对铰链的主要作用是限制铰链基座的移动,并且实验目的是获取载荷位移曲线,因此,为了简化仿真模型,直接通过约束两个螺钉孔全部自由度的方式模拟工装及螺钉对铰链的约束。压盘通过RBE2单元约束为刚体,并对主节点施加竖直向下的位移载荷10mm,其余方向自由度全部约束,以模拟实验中的压盘竖直加载过程。压盘与铰链轴端部之间定义接触以实现载荷的传递。整体仿真模型如图5所示。

    整个静力实验过程是一典型的准静态过程,涉及几何大变形、材料塑性及接触状态变化,属于强非线性问题。因此,在OptiStruct软件中需要设置分析类型为NLSTAT(非线性准静态分析),并合理调试初始增量步、最小增量步、最大增量步及收敛准则等参数取值,采用自动增量步方法求解该非线性问题。

    3.4 静力仿真结果分析

    图8和图9分别给出了压盘竖直位移为10mm时铰链基座的位移云图与Von Mises应力云图。可以明显看出,最大变形发生在铰链轴附近,而最大应力位于直角折弯部位,并且最大应力超过了材料屈服应力,与中铰链市场不良变形模式相一致。

中铰链位移云图

图8 中铰链位移云图

中铰链应力云图

图9 中铰链应力云图

    图10给出了压盘竖直位移为10mm时铰链螺钉孔位置的约束反力云图。由图可知,两个螺钉孔位置的约束反力差异较大,其中靠近铰链轴的螺钉孔反力幅值达到1362N。因此,实际冰箱设计时还需考虑此位置处箱体中梁及螺钉的强度。

中铰链螺钉孔位置约束反力

图10 中铰链螺钉孔位置约束反力

中铰链应力云图

图11 中铰链应力云图

    整个仿真属于准静态分析,因此铰链轴向载荷可通过压盘刚体的支反力来获取。图11给出了仿真载荷-位移曲线与实验测试结果的对比。总体来看,仿真值大于实验值,并且位移较小时两者差异更大,这可能是由于仿真中的理想化边界约束与实验有一定差距。压盘竖直位移为10mm时,仿真轴向承载为885N,而三个样品的实验轴向承载分别为856N、868N及910N,仿真最大误差为3.4%。

4 结论

    本文以某款冰箱中铰链为对象,介绍了其轴向承载性能静力实验测试方法,详细论述了仿真模型搭建过程,并进行了载荷位移曲线仿真实验对标。总体来看,通过OptiStruct仿真计算得到的中铰链轴向极限承载误差约为3.4%。这也表明该仿真模型能够较好预估铰链静力实验结果,可为设计初期中铰链新方案虚拟评估及优选提供依据,节省研发时间和成本。

责任编辑:程玥
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