基于Ansys Workbench的手動火災報警按鈕仿真分析和結構優化

王一鳴, 喬印虎, 袁枝亭, 魏廣智, 賈 茹

(1.安徽科技學院 機械工程學院,安徽 鳳陽 233100;2.安徽水利開發有限公司,安徽 蚌埠 233000)

手動火災報警按鈕是火災報警系統中的重要一環,當人員發現火情時,手動按下火災報警按鈕設備上醒目的白色壓板,如圖1所示。按下壓板后內部的報警電路完成閉合,便可以完成火警的快速上報[1]。由于手動火災報警按鈕需要人工手動按壓實現報警,相比火災探測報警器的自動報警,誤報警的概率相對較低,一般設置放在過道較為顯眼的位置,便于出現火情使用[2]。但倘若有人誤觸或是小朋友因為好奇心按下壓板,便會出現誤報火警的情況,造成人力物力的浪費,除了嚴格規定手動火災報警按鈕的安裝高度以外(防止兒童誤觸),GB 19880—2005《手動火災報警按鈕》還規定了具體不動作試驗要求。該試驗可以測試手動火災報警按鈕對于較小按壓力,即誤觸的抵御能力[3]。

圖1 手動報警按鈕外觀Fig.1 Appearance of manual alarm button

本研究通過建立手動火災報警按鈕三類核心零部件:壓桿、壓板以及底板的裝配模型,模擬不動作試驗的過程對模型進行約束和載荷的施加,在Ansys Workbench中完成靜力學有限元分析,計算出手動火災報警按鈕應力最大值,利用Sceening篩選優化法對關鍵零部件進行優化設計。

1 手動火災報警按鈕的基本參數

1.1 手動火災報警按鈕的結構設計

隨著火災報警系統的迅速發展,對于手動火災報警按鈕結構的合理性要求越來越高,按下手動火災報警按鈕設備的壓板后,壓桿會形成自鎖,使用配合的鑰匙才能解鎖。傳統手動火災報警按鈕的壓板和壓桿使用彈簧連接,利用彈簧的彈性形變達到自鎖的效果,但實際生產和使用中,彈簧安裝困難且存在運輸安裝過程中掉落的情況。本研究中手動火災報警按鈕采用全新設計,零部件結構如圖2所示,該設計方案使用壓桿的自身材料彈性形變實現自鎖和工作,減少了彈簧這一零件,從而簡化生產和裝配過程。壓桿、壓板以及底板裝配后的三維模型如圖3所示。

圖2 手動報警按鈕零部件結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the structure of manual alarm button parts注:1為上殼體;2為鑰匙;3為壓桿;4為壓板;5為底板;6為下殼體;7為端子架;8為底座。

圖3 壓桿、壓板和底板裝配示意圖Fig.3 Assembly diagram of pressure rod, pressure plate and bottom plate

1.2 模型導入及材料選擇

建模完成的核心零部件裝配體三維模型保存為.stp文件后,使用Ansys Workbench中的Static Structural進行模型的導入。手動火災報警按鈕選用材料為ABS D-2400塑料,是一種丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)改進產品。ABS工程塑料具有良好的綜合力學性能,ABS D-2400作為ABS的改性材料,具有較高的耐熱性,在89 ℃才會發生熱變形[4]。

1.3 單元類型及網格劃分

Ansys Workbench中提供Ansys Meshing應用程序(網格劃分平臺)的目標是提供通用的網格劃分工具。網格劃分的目的是對結構模型實現離散化,把求解域分解成可得到精確解的適當數量的單元[5]。本研究采用自動劃分法對該模型進行網格的劃分[6],共生成389 723個節點,生成245 500個單元,網格平均質量為0.83,大于正常分析所需的0.7,可較好地用于有限元仿真分析[7]。

1.4 載荷的施加

裝配體載荷的加載主要模擬GB 19880—2005《手動火災報警按鈕》中規定的不動作試驗。壓桿右端三角塊首先向下移動4 mm的位移,進入底板右側設置的限位框中,進入手動火災報警按鈕正常工作狀態,然后依照不動作試驗的要求對壓板中心施加相應的力[8]。模擬裝配體的載荷加載順序,0～10 s內不施加載荷,10～20 s內以2.5 N/s的速率向手動火災報警按鈕壓板中心位置施加垂直于壓板方向的力F,當F達到25 N(國標規定上限)后,在20～25 s期間內保持5 s,然后以2.5 N/s的速率釋放,在第35秒完成靜力學分析[9]。在壓板施加載荷的同時,壓桿會受到來自壓板接觸面的一個隨時間變化的力F,力F在斜面上會分解為向下的壓力f1和向內的推力f2,壓桿受力分析如圖4所示,當F=25 N時,壓桿會受到最大應力P和最大位移D。

圖4 壓桿受力分析Fig.4 Force analysis of compression bar

1.5 仿真分析結果

對手動火災報警按鈕裝配體整體進行應力分析,顯示最大應力處出現在壓桿處,其余零部件受應力較小。對壓桿做單獨分析,分析結果如圖5所示,應力最大處在壓桿中部受壓位置,符合實際工作使用情況,最大工作應力為45.67 MPa,小于ABS D-2400塑料的屈服強度63 MPa,不會發生塑性形變,但是存在應力集中,在反復形變下存在疲勞失效的風險,最小安全系數為1.37,存在一定安全隱患[10]。

圖5 壓桿應力云圖Fig.5 Compression bar stress cloud

2 多目標優化設計分析

2.1 設計變量

在優化設計中同時要求2項或2項以上設計指標達到最優值的問題,稱為多目標優化設計問題[7]。由于壓板與底板受應力較小,無需改變結構,需要對壓桿的基本尺寸進行優化調整。首先對壓桿模型進行簡化,將壓桿的一些倒角或圓角結構刪除,這些結構對于整體的剛度影響可忽略不計,保留關鍵尺寸用于優化分析[11]。本研究選取影響壓桿應力的3個主要尺寸作為設計參數,分別為壓桿長度l、壓桿厚度t、壓桿與壓板接觸面的導向角度θ,如圖6所示,均為連續型變量參數。

圖6 壓桿參數示意圖Fig.6 Schematic diagram of pressure bar parameters

根據有限元分析,求解出壓桿的最大應力P和最大位移D,手動火災報警按鈕可以正常工作時,最大位移4.0 mm≤D≤4.5 mm,同時將最大應力P最小化。得到壓桿的優化數學模型如下:

2.2 優化設計方案

本研究優化條件為1個目標、3個變量、5個約束(包括參數的約束)。使用Design of Experiments模塊對手動火災報警按鈕壓桿進行優化設計,設置壓桿整體長度l、壓桿厚度t、壓桿與壓板接觸面的導向角度θ等3個連續變量參數的范圍,得到15組設計點[12],并計算出壓桿受到的最大應力,如表1所示。

表1 設計點優化值Table 1 Optimal value of design point

2.3 參數靈敏度及響應面分析

通過生成的變量參數靈敏度柱狀圖,分析變量參數對手動火災報警按鈕壓桿最大應力的影響情況[13],如圖7所示,壓桿厚度t(P2)對手動火災報警按鈕最大應力的影響程度最大,而導向角度θ(P3)和壓桿長度l(P1)的影響較小。其中壓桿厚度t(P2)和導向角度θ(P3)的影響為正向,壓桿長度l(P1)影響為反向。

圖7 靈敏度柱狀圖Fig.7 Sensitivity histogram

取壓桿厚度t、壓桿長度l、導向角度θ等3個參數的其中2個設計變量作為輸入參數的X軸和Y軸,得出手動火災報警按鈕壓桿最大應力的響應面模型,如圖8所示,進而得出壓桿厚度t、壓桿長度l、導向角度θ等3個參數對整體應力的影響程度。

圖8 P1-P2-P3最大應力響應面模型Fig.8 P1-P2-P3 maximum stress response surface model

2.4 優化分析

在擬合出響應曲面之后,使用Optimization模塊進行參數優化[14]。使用Screening篩選優化方法對上述連續變量參數進行優選,可以用于提高壓桿結構優化結果精確度[15]。Screening算法即篩選算法是基于采樣和排序的簡單方法,所以樣本數量決定了其準確度,樣本數量越多,精度越高[16]。本研究設置樣本數為1 000,設置求解結果取壓桿受應力最小,計算求解出3個最佳設計點[17],優化過程如圖9所示,求解出最佳設計方案。3個最佳設計候選點如表2所示,得出的壓桿最大應力分別為34.91、35.65、36.45 MPa,均遠小于初始設計的最大應力值。

表2 設計優化候選點Table 2 Design optimization candidate points

圖9 優化過程Fig.9 Optimization process

取設計點X1,壓桿長度為68.00 mm,壓桿厚度為4.50 mm,導向角度為25°,經過模型還原,把仿真前簡化圓角、倒角等重新添加在模型上,如圖10所示,壓桿最大應力為36.85 MPa。安全系數為1.7。比較優化前后的結果,優化后的手動火災報警按鈕壓桿受到的最大應力減小19.6%。

圖10 壓桿應力云圖Fig.10 Compression bar stress cloud

3 結論與討論

本研究在一款現有依靠壓桿的自身材料彈性形變實現自鎖和工作手動火災報警按鈕基礎上,針對其壓桿受到最大應力過大、安全系數過小的問題,對該手動火災報警按鈕壓桿進行多目標優化設計,完成現有手動火災報警按鈕三維建模,模擬GB 19880—2005《手動火災報警按鈕》的不動作試驗過程,使用ANSYS Workbench軟件建立裝配體進行有限元模型,通過接觸分析,該手動火災報警按鈕壓桿最大應力為45.67 MPa,接近材料的屈服強度,存在接觸失效風險,因此對壓桿進行結構尺寸優化。通過對手動火災報警按鈕壓桿進行多目標優化設計,得出各目標函數隨設計變量變化的靈敏度柱狀圖和響應面模型。確定各參數(壓桿厚度、壓桿長度、導向角度)對最大應力的影響程度,最后使用Screening算法分析出最佳候選設計點。通過對比優化前后的有限元分析結果發現,優化后的手動火災報警按鈕壓桿受到的最大應力減小19.6%,安全系數和可靠性得到了一定的提升。通過該仿真優化后的參數完成了零部件的模具制造,經過試驗檢測該手動報警按鈕完全滿足使用需求,并且通過沈陽消防研究所檢測認證。該研究為后續的手動火災報警按鈕結構設計提供了理論依據。