（机械设计及理论专业论文）数码电子产品的结构分析及优化.pdf

人 l k 、 声明尸明 i i i i i i 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 帅 y 17 8 5 8 9 3 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文数码电子产品的结构分析与优化， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：圣老日期： 刀哆 2 ，| 口| ， 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即；学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：罨磊导师签名： 日期：b ，。1 、| 7 ， ， 4 l o 次) 时，设断裂点处应变的3 0 为最大许用应变。 弹性模量e 弹性模量是指单位应力与单位应变之比。在弹性弯曲阶段，材料的弹性模量是 常数。而在超过的阶段，我们可以定义弹性模量为曲线的斜率，即正切模量。在本 文中采用了塑料是线性弹性体的假设，所以材料弹性模量是常量。 摩擦系数“ 摩擦系数是作用在结合面上的法向力与结合面上的元件滑过另一元件所需力 之比。润滑性好的材料摩擦系数较低，润滑性差的材料摩擦系数较高。摩擦数据最 好是根据实际条件测得，但这种情况很少。通常都是采用所发表的数据和润滑性信 息来确定摩擦系数。一般比较合理的是，低摩擦材料的u 值取0 2 ，高摩擦材料的“ 值取o 4 。卡扣设计中的摩擦系数采用的是动摩擦系数。摩擦系数可变性会极大的 影响装配和保持计算的可靠性和准确性。 4 3 结构卡扣设计的基本准则 悬臂粱型卡扣是实际应用中最为常见的卡扣，在长期的使用和研究过程中，一 些基于实践和理论的设计准则逐渐总结形成，对于其它类型的结构卡扣设计中也可 以参照下述的基本准则。 1 ) 合理确定梁根部厚度 一般情况下，梁都是与母体壁面或表面成9 0 。伸出或在平面内。如果梁是从壁 面突出来的，如图4 13 ( a ) 所示，梁根部的厚度应该约为壁厚的5 0 - 6 0 。厚度小 于5 0 壁厚的梁可能会存在充模和流动问题。厚度大于6 0 壁厚的梁其根部可能 会因厚截面而存在冷却问题，进而会导致大的残余应力、缩孔和缩痕，缩孔会削弱 功能件，外观表面上的缩痕也是不能接受的。如果梁是壁面的延伸，如图4 1 3 ( b ) 2 4 华北电力大学硕士学位论文 所示。那么梁根部的厚度应等于壁的厚度。如果梁的厚度必须小于壁厚的话j 其厚 度应该从壁面到所需厚度的部分沿梁的长度方向逐渐变化，这样可以避免应力集中 和充模不足问题。 。 咿一。莎圣 图4 - 1 3 梁根部的厚度 ， 2 、l 正确选择梁长与壁厚之比 悬臂梁卡扣的总长由梁的长度和保持功能件长度构成，如图4 1 4 所示。这两段 长度在计算时要分别考虑，因为计算弯曲时，只考虑梁的弯曲部分。此时，虽然保 持功能件的长度是未知的，但能够确定梁的长度。随后，将保持功能件长度与梁的 长度相加就能得到悬臂钩卡扣的总长。理想状态下，希望能自由的选择梁的长度， 但往往受到可利用空间和装配件尺寸的限制。 - 恬冷e 矽 图4 - 1 4 梁的长度 一般情况下，梁的长度应该至少为5 倍的壁厚，但首选是1 0 倍的壁厚。若梁 的长度大于1 0 倍壁厚，可能会发生翘曲和充模问题。在确保功能件完全充满和尺 寸空间允许的前提下，梁的长度可适当增加。长度小于5 倍壁厚的梁将承受很大的 剪切作用以及梁根部的弯曲。这样会增大在装配过程中损坏的可能性，也会使分析 计算( 梁理论) 变得很不准确。较短梁的柔性较差，但在根部会产生较高的应变。 较长的梁对装配来说柔性好，但保持力差。对于较硬的和较脆的塑料，推荐采用较 大的长度与厚度的比值。 3 ) 插入面角度o t ( 插入角) 不宜太大 大。实际上， 之间。大于或 初始入角应尽 度。当梁的长 当厚度之比接 近1 0 ：1 时，初始保持面深度应等于梁厚度，如图3 4 所示。一般来说，厚度比值 较高或较低时，初始保持面深度值应做相应的调整。长度一定，较硬或刚性较大塑 料可产生的偏斜比较软的塑料要小。 ， f 曲擐持蕊深废 厶瓦掰5 时，】， 瓦 厶，瓦z 1 0 时y = 瓦 f b l 保持藤锕度 声* 3 5 。，用干不篙罄外部分离力的可拆卸镄紧卡翱 p - 4 5 。用1 ：黼小的外部分离力的珂封i 卸锓紧- t ；# l l 卢m8 0 。一9 0 0 ， f l 予葡锻人的舛部分离力的非拆卸镶紧p 枉 图4 1 6 保持面深度和角度 一般来说，对于借助梁弯曲来装配的卡扣，充足的保持面深度有利于钩的偏斜 和复位。所以保持面深度应该等于偏斜量，这样有助于确保在保持功能件上出现的 分离力尽可能接近梁的中性轴，以将作用在梁端部的旋转力减至最小，避免发生无 意识的脱开。 ， 用材料的已知应变极限进行分析计算时，可以确定最大的许用偏斜。然后将保 持面最大深度设定为等于最大许用偏斜。 5 ) 正确设定保持面角度p ( 保持角) 保持面角度会影响到保持和分离行为，角度越陡，保持强度和分离力就越大。 对于不需要作用在装配件上的外部分离力的拆卸式锁紧件，保持面角度一般取3 5 。 左右。确切的角度取决于材料间的摩擦系数和锁紧件材料的实际刚度。 2 6 华北电力大学硕士学位论文 如果产品需要经常拆卸，应首选较小的角度值，以减小作用在锁紧件和配合功 能件上的周期载荷。如果锁紧件的装拆次数有限，那么保持角应尽可能取大些。如 果需要比较小的外部分离力的话，贝i j 保持面角约为4 5 。是较合理的起点，而且还要 考虑摩擦和钩的刚度。这些锁紧件也可能仍然是可拆卸的，因此不推荐大的人工分 离力和太多的装拆次数。 ， 如果锁紧件必须抵抗大的外部分离力，那不推荐采用拆卸式锁紧，而应该设计 成永久式或非拆卸功能件( 拆卸时需人为偏斜) 。，保持面角度应近似等于9 0 。保 持面角度也没有必要精确到9 0 。，由于两功能件接触面之间存在摩擦，小于9 0 “角 的作用仍然与9 0 角是_ 样韵。摩擦系数为0 3 时，极限角近似为8 0 。，这就意味 着大于8 0 。的任何角度作用与9 0 。角都是一样的。极限角是摩擦系数的函数，并且 是可以计算的，如果摩擦系数已知，利用基本保持力方程，就可以计算出极限角度 o - - t a n ( 1 i x ) 。 一 0 6 ) 保持功能件处的梁厚度与梁的根部厚度应满足一定关系 保持面处的梁厚度t 常常等于梁根部的厚度乃。然而，当梁的根部的应变较高 时，全长带锥度的梁可以将应变均匀的分布在梁上，减少根部产生过应变的概率， 如图4 - 1 7 所示。常见的锥度比在1 2 5 ：1 - - 2 ：1 范围内。梁较短时，变锥可以使梁 根部的应变减少6 0 ，但同时也使保持强度降低。当设计的约束迫使梁违背了长度 与厚度的最小比值为5 ：1 的设计规则时，锥形梁时解决高应变的可行方法，不要 将悬臂梁从保持面到根部都成锥形，这样几乎会把所有的应变都移到了梁的根部， 反而更容易损坏。 一? 一 黔 l 币硒 锰成 三。 一一西) 夫宠度的够响 眵爹。历 宓度搠鲜缆鄂镥锥瞳约粢从边缘伸出的壤 ( c 宽度格幸隹萱惑僻钩 图4 1 8 梁的宽度 4 4 结构卡扣中的关键尺寸研究 对于大多数卡扣性能计算来说，应变数据比应力更优先选用，所以在本文中主 要用材料最大许用应变值对卡扣设计性能进行评估。 4 4 1 悬臂钩卡扣 。 在利用传统梁计算公式前，必须对悬臂钩卡扣作适当的假设： a ) 梁的材料是均质的，在拉伸和压缩作用下具有相同的弹性模量 b ) 梁是直的或在弯曲平面内具有曲率，曲率半径至少是梁厚度的1 0 倍 c ) 梁至少对称于一纵向平面 d ) 梁的宽度适当 e ) 最大应力不超过应力极限 一 f ) 所施加载荷不是冲击载荷 根据经典的梁计算公式，我们可以计算在装配过程中，悬臂钩卡扣梁最大应变 值、插入力和保持力，其中引入的修正系数是通过反复的有限元分析和实验论证得 2 8 华北电力大学硕士学位论文 到。以下公式均来自支献【4 】。 保持块 图4 一；8 悬臂钩卡扣尺寸示意图 1 ) 梁根部最大弯曲应变的公式为 s ：1 5 毒l 0 0 k 系数q ：恒矩形截面梁的偏斜放大系数( 见表4 1 ) 。 梁计算假设，基体面( 即壁面) 是无限刚性的。但实际上，基体会偏斜的，而 一且对功能件特性的影响也是很明显的，所以这里引进了q 值对计算应变进行调整。 系数k ：厚度带锥度的梁的比例系数( 见表4 3 ) 因为公式的计算是基于矩形梁，所以引入k 值进行计算补偿。厚度带锥度的梁 ( d d o ) 在减小应力、应变和插入力方面优于直梁( 可能的缺点是保持强度的减 小) ，其中2 ：1 的锥度值最为常用。 因为厚度2 ：1 的锥度值最为常用，所以表3 2 还给出了厚度带2 ：1 锥度的矩 形横截面梁的偏斜放大系数。 。 2 ) 临界角的公式为 o c r a ，c a -