簡(jiǎn)易開(kāi)瓶器的設(shè)計(jì)計(jì)算

簡(jiǎn)易開(kāi)瓶器的設(shè)計(jì)計(jì)算摘要：本文對(duì)生活中常見(jiàn)的物品---開(kāi)瓶器進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析計(jì)算，通過(guò)有限元建立它的平面模型，并對(duì)它的解構(gòu)進(jìn)行了一定的優(yōu)化，以使理論上的模型更加適應(yīng)真實(shí)的使用情況。引言：開(kāi)瓶器是生活中常見(jiàn)的工具，也是典型的純金屬物品，而且整體都是同一種材料。因此，可以很方便的建模計(jì)算，同時(shí)，開(kāi)瓶器的厚度相對(duì)于它的尺寸較小，故適宜用板殼單元來(lái)計(jì)算，也方便了建模與結(jié)果的處理。1.對(duì)于開(kāi)瓶器的結(jié)構(gòu)分析與初步建模：如圖所示，這是開(kāi)瓶器的基本形狀。也就是一段是使用端，人的手在這一段施加外力，另一是固定端。固定端是半個(gè)圓環(huán)，外徑30mm，內(nèi)徑24mm。而開(kāi)瓶器的全長(zhǎng)是90mm，人的手握在它的后面的小半部分，可以對(duì)A4平面施加一個(gè)較大的轉(zhuǎn)矩作為開(kāi)瓶子的載荷。開(kāi)瓶器的受力可以簡(jiǎn)化為一個(gè)杠桿，末端是支點(diǎn)，作為杠桿支點(diǎn)，它沒(méi)有位移自由度，故需對(duì)其進(jìn)行約束，而支點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)則不需約束，在實(shí)際開(kāi)瓶器中，這個(gè)支點(diǎn)是一條線（如圖）。而杠桿的另一端（在圖上表示為平面A1）是分布載荷，即人的手掌對(duì)杠桿施加的握力。杠桿的中間，靠近支點(diǎn)的地方則有一個(gè)相對(duì)于手掌所施加的力方向相反的載荷，在實(shí)際生活中，這就是與瓶蓋接觸部分所受的反作用力，該載荷其分布在一個(gè)面積很小的圓弧面上，即小平面A4，但是這個(gè)載荷是未知的，故用一個(gè)Z方向的位移約束來(lái)代替。2.初次計(jì)算與分析：首先，通常我們使用開(kāi)瓶器時(shí)，手上的力不會(huì)超過(guò)十公斤，即100N,分布在接觸面（上圖平面A1）上的數(shù)值大約為1E5左右。同時(shí)，在該工況下，可以用有限元算出此結(jié)構(gòu)的所承受的總載荷：FX0.000000MX-5.177613FY0.000000MY0.8232875E-05FZ84.92665MZ0.000000從中可以看出，在該模型中，我們假設(shè)我們的手掌對(duì)開(kāi)瓶器施加的合外力大小是82N，基本符合實(shí)際情況，而在這種外載情況下，開(kāi)瓶器承受的最大力矩大約在5N.m，這個(gè)力矩可能使模型發(fā)生一定的可以觀察到的變形初次計(jì)算，選用的是鋼鐵的材料特性，板殼厚度設(shè)為1mm,計(jì)算結(jié)果如左圖所示。其形變量高達(dá)17mm，而該模型的總長(zhǎng)也不過(guò)70mm，顯然是不符合實(shí)際的，而模型的最大應(yīng)力分布在小半圓面的下端圓弧處，與瓶口接觸部分反而并未受到太大的應(yīng)力。但是，其最大應(yīng)力數(shù)值是2880MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了普通鋼材以及絕大多數(shù)工程材料的彈性極限，故模型需要修改，以更符合實(shí)際應(yīng)用中的需要。3.模型的優(yōu)化最終，將模型厚度修改為2mm，約束與載荷不變，計(jì)算結(jié)果顯示如下圖：應(yīng)力分布圖應(yīng)變分布圖經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)本次計(jì)算結(jié)果中，最大應(yīng)力數(shù)值為720MPa，縮減為第一次計(jì)算結(jié)果的四分之一；最大應(yīng)變數(shù)值為2.15mm，縮減為第一次計(jì)算結(jié)果的八分之一。這些數(shù)據(jù)基本符合實(shí)際，具有一定的參考價(jià)值?？紤]到最大應(yīng)力是720Pa，在選擇的鋼件材料為20CrMn合金碳鋼，經(jīng)淬火以及油冷處理，該材料的屈服強(qiáng)度高達(dá)750MPa，完全可以適應(yīng)本次設(shè)計(jì)的開(kāi)瓶器的工況。同時(shí)，我們也可以通過(guò)對(duì)接觸面進(jìn)行加厚這種方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，根據(jù)兩次建模兩次計(jì)算，可以初步推斷板殼模型的最大應(yīng)力值的變化和板殼厚度值的平方成反比，也就意味著，當(dāng)板殼有一定程度的加厚時(shí)可以使得最大應(yīng)力值更大程度的減少，如果能夠在應(yīng)力集中的區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)加厚，或者增加其Z方向的結(jié)構(gòu)（比如在該處加一圈毛邊，或者突起）就可以使得其承載能力大幅增強(qiáng)，對(duì)于材料的強(qiáng)度也不會(huì)太過(guò)苛刻。這樣就可以使用承載能力和強(qiáng)度極限的較低，而抗腐蝕性能良好的不銹鋼作為開(kāi)瓶器的構(gòu)成材料。參考文獻(xiàn)【1】張朝暉ANSYS11.0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例解析，2008年1月，第二