家用小型USB充電風(fēng)扇跌落分析

1問題引出

家用小型USB充電風(fēng)扇由于體積小便于攜帶的優(yōu)點(diǎn)深受廣大消費(fèi)者的青睞，家用小型USB充電風(fēng)扇的大量生產(chǎn)也給運(yùn)輸帶來了一定的壓力，在運(yùn)輸過程難免會(huì)發(fā)生碰撞與跌落，尤其是風(fēng)扇的跌落，是風(fēng)扇報(bào)廢的主要原因。為此，本文建立風(fēng)扇跌落的仿真模型，分析其跌落對(duì)風(fēng)扇內(nèi)部零件變形損壞的影響，為家用小型USB充電風(fēng)扇在運(yùn)輸過程的跌落防控提供設(shè)計(jì)方案。

2 家用小型USB充電風(fēng)扇建模簡化及分析

由于家用小型USB充電風(fēng)扇的曲面建模比較復(fù)雜，因此選擇專門的三維建模軟件NX10.0進(jìn)行風(fēng)扇的三維建模，在建模過程中，考慮到LSDYNA動(dòng)力分析的仿真合理與便捷，做出幾點(diǎn)簡化處理：（1）由于此種風(fēng)扇有設(shè)計(jì)專門的防撞板，故忽略USB充電風(fēng)扇的底座的三維建模（2）由于USB充電線對(duì)跌落過程影響不大，忽略USB充電線及充電插孔的建模部分（3）電機(jī)建成一個(gè)整體部分，忽略電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)（4）電機(jī)與風(fēng)扇葉片之間通過螺栓連接，螺栓用圓柱連接代替，螺母用矩形截面的長方體代替。通過上述建模分析與簡化處理，在UG軟件中建立的家用小型USB充電風(fēng)扇模型如圖1所示。建立好的模型檢查無誤后導(dǎo)出為文本文件（x_t格式），方便在ANSYS的WORKBENCH平臺(tái)進(jìn)行前處理操作與無限大地面的建立。

圖1家用小型USB充電風(fēng)扇簡化模型

3 ANSYS/LSDYNA算例求解

在用UG建立好風(fēng)扇的三維模型后，用ANSYS WORKBENCH平臺(tái)繼續(xù)進(jìn)行幾何模型和的處理工作，相關(guān)界面如圖2所示。在DM中首先建立無限大的地面板用以模擬跌落所需要的地面，風(fēng)扇導(dǎo)入到DM中可以看到經(jīng)過簡化后的風(fēng)扇被劃分成了17個(gè)part，各個(gè)part所代表的的零件如表1所示。另外由于風(fēng)扇除去四片扇葉外其余材料的單元在ANSYS里面全部設(shè)置為3D Solid 164實(shí)體單元，四片扇葉設(shè)置為shell 162單元，扇葉厚度設(shè)置為0.001m，分析單位制統(tǒng)一為為m-kg-s國際單位制。在建立地面及設(shè)置扇葉厚度后，進(jìn)行材料的定義，材料選用elastic模型，螺栓螺母為灰鑄鐵HT200材料，連接件為結(jié)構(gòu)鋼材料，復(fù)試后罩及防撞板等塑料材料用酚酚醛樹脂熱塑性塑料模擬，最后地面為膠合木板。材料定義完成并賦予各個(gè)part后進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格劃分采用整體采用六面體網(wǎng)格劃分，針對(duì)局部采用四面體網(wǎng)格劃分并控制網(wǎng)格尺寸與面網(wǎng)格劃分精度來使得網(wǎng)格劃分更加規(guī)整，整體網(wǎng)格劃分如圖2所示，各個(gè)part的網(wǎng)格劃分如圖3-6所示。接觸設(shè)置中螺栓螺母連接件之間采用有摩擦接觸。摩擦系數(shù)設(shè)為0.15，扇葉板與防撞板之間為綁定，電機(jī)與連接件為摩擦系數(shù)為0.1的摩擦接觸，其余均為綁定接觸。地面膠合木板設(shè)為全約束固定底面，整體方式16個(gè)part設(shè)有4.00m/s的跌落速度，跌落距離為0.8m。

完成前處理操作后進(jìn)行求解，輸出文件類型為LSDYNA，輸出結(jié)果文件用LSDYNA中的LSPP打開來進(jìn)行跌落的后處理操作。

表1 家用小型USB充電風(fēng)扇零件及地面

代號(hào)	零件
Part1	風(fēng)扇后罩
Part2	扇葉板
Part3	防撞罩
Part4	螺栓連接件
Part5	電機(jī)外罩
Part6	十字加強(qiáng)筋
Part7	扇葉
Part8	扇葉
Part9	扇葉
Part10	扇葉
Part11	四角螺母
Part12	矩形螺栓
Part13	矩形螺栓
Part14	四角螺母
Part15	圓形連接件
Part16	連接件
Part17	膠合木板地面

圖2整體網(wǎng)格劃分

圖3 防撞板和后罩網(wǎng)格劃分

圖4輻射扇葉板和扇葉網(wǎng)格劃分

圖5電機(jī)后罩和十字加強(qiáng)筋網(wǎng)格劃分

圖6連接件網(wǎng)格劃分

4 跌落分析

4.1應(yīng)力云圖

（1）跌落時(shí)刻USB充電風(fēng)扇的等效應(yīng)力云圖

圖中可以看出USB電風(fēng)扇在接觸地面的時(shí)刻，風(fēng)扇的電機(jī)外罩處的應(yīng)力最大，此外，應(yīng)力向四角處輻射擴(kuò)散。分析：接觸處的應(yīng)力最大值為158.8MPa，出現(xiàn)在電機(jī)外罩的地方（如圖7所示），與電機(jī)外罩相連的是呈十字型的加強(qiáng)筋，因此應(yīng)力向四角處輻射擴(kuò)散，且應(yīng)力的值在80MPa左右，而在電機(jī)外罩剛剛接觸地面的瞬間，應(yīng)力接觸面只有電機(jī)外罩的截面積大小，隨后由于加強(qiáng)筋的作用，呈現(xiàn)輻射狀擴(kuò)散（如圖8所示）。

圖7 電機(jī)外罩應(yīng)力云圖

圖8跌落前后時(shí)刻電機(jī)外罩應(yīng)力云圖

（2）十字加強(qiáng)筋應(yīng)力云圖

可以看出十字加強(qiáng)筋承擔(dān)了跌落過程中大部分的應(yīng)力，而與之相連的扇葉并不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中變形現(xiàn)象。圖9給出了扇葉整體的應(yīng)力現(xiàn)象，十字加強(qiáng)筋的最大應(yīng)力約為0.72MPa。因此加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)可以很好地吸收跌落過程的能量，對(duì)扇葉起到保護(hù)作用。

圖9扇葉整體的應(yīng)力云圖

4.2接觸力時(shí)程曲線與matsum曲線

（1）地板的能量吸收曲線

圖10給出了膠合木板地面的能能量吸收曲線，電風(fēng)扇在跌落至地面時(shí)能量曲線開始上升，風(fēng)扇的動(dòng)能及勢能主要為木板地面的內(nèi)能，除此之外，木板出現(xiàn)輕微變形，能量一部分轉(zhuǎn)化為變形勢能及摩擦消耗能量。

圖10膠合木板地面的能能量吸收曲線

（2）連接件處的接觸力變化曲線

本文連接處主要有3處，十字加強(qiáng)筋與電機(jī)外罩之間的綁定接觸，2處螺栓與螺母之間的摩擦接觸。3處的接觸力時(shí)程曲線分別如圖11-12所示。圖中在跌落時(shí)刻出現(xiàn)連續(xù)的峰值變化表面連接處吸收了能量，螺栓與螺母連接件之間的接觸力為4.485N，十字加強(qiáng)筋的峰值不斷出現(xiàn)，表明其不斷吸收跌落過程中的動(dòng)能。

圖11 螺栓螺母連接件接觸力時(shí)程曲線

圖12 十字加強(qiáng)筋接觸處時(shí)程曲線

5思考與展望

（1）風(fēng)扇的防撞板對(duì)風(fēng)扇起到了一個(gè)很好的防跌落保護(hù)，本文只進(jìn)行了平行跌落測試仿真，若以一定角度跌落，其對(duì)防撞板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化幫助更大。

（2）風(fēng)扇在跌落地板瞬間，地板也出現(xiàn)一定的變形，跌落完成后地板受應(yīng)力的區(qū)域面積大于直接接觸到的面積。

（3）此種工況下的跌落，電機(jī)內(nèi)部實(shí)質(zhì)加強(qiáng)筋所受應(yīng)力最大，加強(qiáng)筋吸收了跌落過程中大部分的能量，加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)使得電機(jī)外罩的防撞效果明顯增強(qiáng)，可以設(shè)置硬度更大的連接件防撞跌落沖擊導(dǎo)致的連接件斷裂。