简易开瓶器的设计计算

简易开瓶器的设计计算摘要：本文对生活中常见的物品---开瓶器进行了简单的分析计算，通过有限元建立它的平面模型，并对它的解构进行了一定的优化，以使理论上的模型更加适应真实的使用情况。引言：开瓶器是生活中常见的工具，也是典型的纯金属物品，而且整体都是同一种材料。因此，可以很方便的建模计算，同时，开瓶器的厚度相对于它的尺寸较小，故适宜用板壳单元来计算，也方便了建模与结果的处理。1.对于开瓶器的结构分析与初步建模：如图所示，这是开瓶器的基本形状。也就是一段是使用端，人的手在这一段施加外力，另一是固定端。固定端是半个圆环，外径30mm，内径24mm。而开瓶器的全长是90mm，人的手握在它的后面的小半部分，可以对A4平面施加一个较大的转矩作为开瓶子的载荷。开瓶器的受力可以简化为一个杠杆，末端是支点，作为杠杆支点，它没有位移自由度，故需对其进行约束，而支点的转动则不需约束，在实际开瓶器中，这个支点是一条线（如图）。而杠杆的另一端（在图上表示为平面A1）是分布载荷，即人的手掌对杠杆施加的握力。杠杆的中间，靠近支点的地方则有一个相对于手掌所施加的力方向相反的载荷，在实际生活中，这就是与瓶盖接触部分所受的反作用力，该载荷其分布在一个面积很小的圆弧面上，即小平面A4，但是这个载荷是未知的，故用一个Z方向的位移约束来代替。2.初次计算与分析：首先，通常我们使用开瓶器时，手上的力不会超过十公斤，即100N,分布在接触面（上图平面A1）上的数值大约为1E5左右。同时，在该工况下，可以用有限元算出此结构的所承受的总载荷：FX0.000000MX-5.177613FY0.000000MY0.8232875E-05FZ84.92665MZ0.000000从中可以看出，在该模型中，我们假设我们的手掌对开瓶器施加的合外力大小是82N，基本符合实际情况，而在这种外载情况下，开瓶器承受的最大力矩大约在5N.m，这个力矩可能使模型发生一定的可以观察到的变形初次计算，选用的是钢铁的材料特性，板壳厚度设为1mm,计算结果如左图所示。其形变量高达17mm，而该模型的总长也不过70mm，显然是不符合实际的，而模型的最大应力分布在小半圆面的下端圆弧处，与瓶口接触部分反而并未受到太大的应力。但是，其最大应力数值是2880MPa，远远超过了普通钢材以及绝大多数工程材料的弹性极限，故模型需要修改，以更符合实际应用中的需要。3.模型的优化最终，将模型厚度修改为2mm，约束与载荷不变，计算结果显示如下图：应力分布图应变分布图经过计算分析，发现本次计算结果中，最大应力数值为720MPa，缩减为第一次计算结果的四分之一；最大应变数值为2.15mm，缩减为第一次计算结果的八分之一。这些数据基本符合实际，具有一定的参考价值。考虑到最大应力是720Pa，在选择的钢件材料为20CrMn合金碳钢，经淬火以及油冷处理，该材料的屈服强度高达750MPa，完全可以适应本次设计的开瓶器的工况。同时，我们也可以通过对接触面进行加厚这种方式进行结构优化，根据两次建模两次计算，可以初步推断板壳模型的最大应力值的变化和板壳厚度值的平方成反比，也就意味着，当板壳有一定程度的加厚时可以使得最大应力值更大程度的减少，如果能够在应力集中的区域进行适当加厚，或者增加其Z方向的结构（比如在该处加一圈毛边，或者突起）就可以使得其承载能力大幅增强，对于材料的强度也不会太过苛刻。这样就可以使用承载能力和强度极限的较低，而抗腐蚀性能良好的不锈钢作为开瓶器的构成材料。参考文献【1】张朝晖ANSYS11.0结构分析工程应用实例解析，2008年1月，第二