家用小型USB充电风扇跌落分析

家用小型USB充电风扇跌落分析

1问题引出

家用小型USB充电风扇由于体积小便于携带的优点深受广大消费者的青睐，家用小型USB充电风扇的大量生产也给运输带来了一定的压力，在运输过程难免会发生碰撞与跌落，尤其是风扇的跌落，是风扇报废的主要原因。为此，本文建立风扇跌落的仿真模型，分析其跌落对风扇内部零件变形损坏的影响，为家用小型USB充电风扇在运输过程的跌落防控提供设计方案。

2 家用小型USB充电风扇建模简化及分析

由于家用小型USB充电风扇的曲面建模比较复杂，因此选择专门的三维建模软件NX10.0进行风扇的三维建模，在建模过程中，考虑到LSDYNA动力分析的仿真合理与便捷，做出几点简化处理：（1）由于此种风扇有设计专门的防撞板，故忽略USB充电风扇的底座的三维建模（2）由于USB充电线对跌落过程影响不大，忽略USB充电线及充电插孔的建模部分（3）电机建成一个整体部分，忽略电机内部结构（4）电机与风扇叶片之间通过螺栓连接，螺栓用圆柱连接代替，螺母用矩形截面的长方体代替。通过上述建模分析与简化处理，在UG软件中建立的家用小型USB充电风扇模型如图1所示。建立好的模型检查无误后导出为文本文件（x_t格式），方便在ANSYS的WORKBENCH平台进行前处理操作与无限大地面的建立。

图1家用小型USB充电风扇简化模型

3 ANSYS/LSDYNA算例求解

在用UG建立好风扇的三维模型后，用ANSYS WORKBENCH平台继续进行几何模型和的处理工作，相关界面如图2所示。在DM中首先建立无限大的地面板用以模拟跌落所需要的地面，风扇导入到DM中可以看到经过简化后的风扇被划分成了17个part，各个part所代表的的零件如表1所示。另外由于风扇除去四片扇叶外其余材料的单元在ANSYS里面全部设置为3D Solid 164实体单元，四片扇叶设置为shell 162单元，扇叶厚度设置为0.001m，分析单位制统一为为m-kg-s国际单位制。在建立地面及设置扇叶厚度后，进行材料的定义，材料选用elastic模型，螺栓螺母为灰铸铁HT200材料，连接件为结构钢材料，复试后罩及防撞板等塑料材料用酚酚醛树脂热塑性塑料模拟，最后地面为胶合木板。材料定义完成并赋予各个part后进行网格的划分，网格划分采用整体采用六面体网格划分，针对局部采用四面体网格划分并控制网格尺寸与面网格划分精度来使得网格划分更加规整，整体网格划分如图2所示，各个part的网格划分如图3-6所示。接触设置中螺栓螺母连接件之间采用有摩擦接触。摩擦系数设为0.15，扇叶板与防撞板之间为绑定，电机与连接件为摩擦系数为0.1的摩擦接触，其余均为绑定接触。地面胶合木板设为全约束固定底面，整体方式16个part设有4.00m/s的跌落速度，跌落距离为0.8m。

完成前处理操作后进行求解，输出文件类型为LSDYNA，输出结果文件用LSDYNA中的LSPP打开来进行跌落的后处理操作。

表1 家用小型USB充电风扇零件及地面

代号	零件
Part1	风扇后罩
Part2	扇叶板
Part3	防撞罩
Part4	螺栓连接件
Part5	电机外罩
Part6	十字加强筋
Part7	扇叶
Part8	扇叶
Part9	扇叶
Part10	扇叶
Part11	四角螺母
Part12	矩形螺栓
Part13	矩形螺栓
Part14	四角螺母
Part15	圆形连接件
Part16	连接件
Part17	胶合木板地面

图2整体网格划分

图3 防撞板和后罩网格划分

图4辐射扇叶板和扇叶网格划分

图5电机后罩和十字加强筋网格划分

图6连接件网格划分

4 跌落分析

4.1应力云图

（1）跌落时刻USB充电风扇的等效应力云图

图中可以看出USB电风扇在接触地面的时刻，风扇的电机外罩处的应力最大，此外，应力向四角处辐射扩散。分析：接触处的应力最大值为158.8MPa，出现在电机外罩的地方（如图7所示），与电机外罩相连的是呈十字型的加强筋，因此应力向四角处辐射扩散，且应力的值在80MPa左右，而在电机外罩刚刚接触地面的瞬间，应力接触面只有电机外罩的截面积大小，随后由于加强筋的作用，呈现辐射状扩散（如图8所示）。

图7 电机外罩应力云图

图8跌落前后时刻电机外罩应力云图

（2）十字加强筋应力云图

可以看出十字加强筋承担了跌落过程中大部分的应力，而与之相连的扇叶并不会发生严重的应力集中变形现象。图9给出了扇叶整体的应力现象，十字加强筋的最大应力约为0.72MPa。因此加强筋的设计可以很好地吸收跌落过程的能量，对扇叶起到保护作用。

图9扇叶整体的应力云图

4.2接触力时程曲线与matsum曲线

（1）地板的能量吸收曲线

图10给出了胶合木板地面的能能量吸收曲线，电风扇在跌落至地面时能量曲线开始上升，风扇的动能及势能主要为木板地面的内能，除此之外，木板出现轻微变形，能量一部分转化为变形势能及摩擦消耗能量。

图10胶合木板地面的能能量吸收曲线

（2）连接件处的接触力变化曲线

本文连接处主要有3处，十字加强筋与电机外罩之间的绑定接触，2处螺栓与螺母之间的摩擦接触。3处的接触力时程曲线分别如图11-12所示。图中在跌落时刻出现连续的峰值变化表面连接处吸收了能量，螺栓与螺母连接件之间的接触力为4.485N，十字加强筋的峰值不断出现，表明其不断吸收跌落过程中的动能。

图11 螺栓螺母连接件接触力时程曲线

图12 十字加强筋接触处时程曲线

5思考与展望

（1）风扇的防撞板对风扇起到了一个很好的防跌落保护，本文只进行了平行跌落测试仿真，若以一定角度跌落，其对防撞板的结构优化帮助更大。

（2）风扇在跌落地板瞬间，地板也出现一定的变形，跌落完成后地板受应力的区域面积大于直接接触到的面积。

（3）此种工况下的跌落，电机内部实质加强筋所受应力最大，加强筋吸收了跌落过程中大部分的能量，加强筋的设计使得电机外罩的防撞效果明显增强，可以设置硬度更大的连接件防撞跌落冲击导致的连接件断裂。