鐵皮文件柜是通過一系列嚴密的制作過程制造的， 其材料是冷軋鋼板， 鐵皮文件柜的用途一般是放置日常有用的紙制資料文件、 更衣間用來存儲衣物以及其他分類的文件或物品的容器。辦公室的鐵皮文件柜里放的書等資料多了以后， 層間隔板經常發生失效， 失效的原因主要是下面的小托架失效。本文任務要求首先認真觀察鐵皮文件柜層間隔板托架失效現象， 然后從理論和有限元計算兩個方面校核托架的穩定性， 最后提出改進意見。

1 引起鐵皮文件柜隔板支架失效的因素造成鐵皮文件柜隔板支架失效的因素大致可以分為化學因素和力學因素兩個方面。

首先， 化學因素就是隔板支架由于受到酸堿鹽等化學物質腐蝕或長期處于潮濕的環境造成隔板支架生銹而造成的失效問題。其次， 我們重點要分析的就是力學因素， 就是由于承載重物質量過大，造成隔板支架彎曲， 甚至斷裂，從而導致隔板支架失效。鐵皮文件柜隔板支架失效的力學分析涉及到了材料力學的穩定性問題， 彎曲問題， 應力分析問題， 強度理論問題， 材料問題等。

2 隔板支架由于承重而失效的理論分析首先，取到鐵皮文件柜隔板支架實物模型后后先用游標卡尺測量出隔板支架的各項尺寸大小， 其中， 鐵皮文件柜隔板支架的厚度為 1mm。 使用 CAD 畫圖軟件建立鐵皮文件柜隔板支架的平面圖形，并標明尺寸， 如圖 1 所示：第一步，對隔板支架進行受力分析如圖 2 所示： q 為均布荷載，方向垂直向下； q1 為隔板支架上部所受的分布荷載，方向水平向右；q2 為隔板支架下部分所受的分布荷載，方向水平向左； F 為支架下部分所受的作用力， 且方向垂直向上。

受力分析計算： 要想得出鐵皮文件柜隔板支架工作時所受的作用力 F 大小，要先測量出鐵皮文件柜隔板的長度尺寸 L ， 平均每本書的厚度 l， 平均每本書的質量 m。

第三步， 截取隔板支架上部分分析，這一部分的受力情況如圖 4所示。

經過測量后所得到的 L、 l、 m 的值分別為： L=85.00cm， l=3.50m，m=1.0kg。然后， 通過公式進行計算求力 的大小， 因為每層隔板是由四個支架支撐的， 所以第二步，從靜力等效方面對隔板支架進行受力分析， 受力情況如圖 3 所示。

隔板支架上下部分受等效力大小均為 F， 上部分的等效力力作用于所在面的中間位置， 即 15.00mm/2 處，分布力作用的兩個面的等效力分別為 F1 和 F2，且都處于所在面的 2/3 處， 即 F1 的作用點處于距離 A 點 處， F2 的作用點處于距離 A 點處。

有這兩個受力分析圖可得出等效力的大小等于分布力的面積大小， 所以可以得出等效力 F1 和 F2 的大小：由受力平衡可以得知：由靜力等效分析后， 如果要使隔板支架處于平衡狀態， 就要使得零件所受的力矩為零， 由此可列出平衡方程：又因：所以可以求出：第三步， 截取隔板支架上部分分析，這一部分的受力情況如圖 4所示。

圖 3 鐵皮文件柜隔板支架靜力等效受力分析圖圖 4 鐵皮文件柜隔板支架上部分受力分析及正應力由分析可知， 截面 A 處的正應力 ［2］其中， 為 A 截面所受的正應力， M 為此部分所受的彎矩大小， WZ 為截面的抗彎截面系數， b 為隔板支架的實際厚度， 值的大小為 b=1.0mm， h 為截面的高度， 值的大小為 h=6.00mm［1］。

通過就算可以得出：因為， 鐵皮文件柜隔板支架的選用材料為 Q235 鋼材， 所以，經查閱 《材料力學 I》 可知， Q235 鋼材的屈服極限為： ；3 隔板支架由于承重而失效的有限元分析把鐵皮文件柜隔板支架模型劃分網格后，施加應力和約束如下： 首先，在線段 L11、 L2、 L8 處施加水平方向的位移約束； 其次，在線段 L3 處施加水平方向的位移約束； 另外，在 13 號關鍵點處的節點上施加所有自由度方面的約束；最后在線段 L10 上施加分布載荷 3966666.7Pa 見 （圖 5）。

可以看出， 圖 6 藍色區域中的節點的 X 方向變形最大， 圖 7 藍色區域中的節點的 Y 方向變形最大，圖 8 藍色區域中的節點的 Y方向的正應力最大［3］，從以上這些條件， 我們還不能完全知道鐵皮文件柜隔板支架的失效的強度界限，我們可以從 ANSYS 軟件分析的結果中得到第三強度理論分析的圖表 （圖 9）。可以看出， 損壞的區域主要分布在鐵皮文件柜隔板支架下彎曲的藍色區域。

通過設置預存應力并進行靜力分析，計算屈曲特征值，計算屈曲特征向量對托架進行屈曲分析， 結果摘要 （圖 10）顯示最小屈曲負載為 1707.8.得到失穩臨界荷載為。

4F = L l m g × ×F =1 4 85.00 3.50 1.0 9.8 59.50 × × × = cm cm kg N kg Nq = (F cm mm Pa 1.50 ) /1 3966666.7 ≈F =1 2 7.50 × × q F =1 2 (7.50 4.51 16.99 19.00) × × + + - q F = F F×15 2 2 3 7.50 [2 3 (7.50 4.51 16.99 19.00) 19.00 7.5 = × × + × × + + - + - F F 0]F = F F = F N =19.26σ = M W M = F mm × × 2 3 7.50 6W = bhσ 16.05σ = M W MPa =240σ = MPa240σ ≤σ = MPa1707.8 3966666.7 6774.3 × = MPa4 有缺陷的鐵皮文件柜隔板支架的有限元分析在實際分析中， 我們發現了兩種不同的隔板支架，有些隔板支架右側邊緣上有凹進去的部分， 通過有限元建模，分析凹槽部分給鐵皮文件柜隔板支架所帶來的影響得出一系列的鐵皮文件柜隔板支架的零件變形圖和數據 （圖 11- 15）。

結果摘要 （圖 16）顯示最小屈曲負載為 1926.6，得到失穩臨界荷載為。

5 結果的分析與討論5.1 理論分析，從鐵皮文件柜隔板支架的受力分析和靜力等效方面分析， 通過計算求得：此結論可以證明： 鐵皮文件柜隔板支架的強度是足夠的，不會發生超重導致的失效破損。

5.2 通過 ANSYSY 軟件的建模分析， 無缺陷的鐵皮文件柜隔板支架在施加最大的荷載時，可以得知， 鐵皮文件柜隔板支架的強度足夠，不會因滿荷載發生失效破損。另通過屈曲分析得到失穩臨界荷載為 ，遠大于裝滿書時的最大載荷，不會因為失穩發生失效破損。

5.3 通過第二次的 ANSYS 軟件的建模分析，有缺陷的鐵皮文件柜隔板支架在施加最大的荷載時，可以得知， 鐵皮文件柜隔板支架的強度同樣足夠。

另通過屈曲分析得到失穩臨界載荷為 ，遠大于裝滿書時的最大載荷，不會因為失穩發生失效破損。

5.4 通過對這兩種情況的隔板支架的分析， 可以得知： 有缺陷的隔板支架與無缺陷的隔板支架在承受最大荷載時 的值大小差別不大， 說明由于缺陷部位基本不受外力作用， 小的缺陷對隔板支架的影響不大， 仍然可以使用。另外， 二者的失穩臨界載荷相差也不大， 說明小的缺陷對穩定性的影響不大。

5.5 通過對鐵皮文件柜隔板支架 Y 方向的正應力分布情況分析， 理論分析和計算結果表明 A 點 均是 10 幾個 MPa， 穩定性分析過程也較順利，得到了兩種情況下的失穩臨界載荷遠大于裝滿書時的最大載荷， 說明鐵皮文件柜不會因為荷載過大而失穩。

6 結論與展望6.1 理論和計算分析表明鐵皮文件柜隔板支架的強度是足夠的，不會發生滿荷載失效的問題。托架失效的因素實際上還有穩定性的問題，對于鐵皮文件柜隔板支架失效的原因更主要的是結構的穩定性問題。

6.2 通過有限元建模分析，從圖中我們可以發現隔板支架下方的支撐力處， 是應力最大、 最集中的地方， 也就是說， 隔板支架此處最容易損壞，經過實際的應用體驗，發現確實如此。 可以在隔板支架此處增加強度， 或采用其他措施， 防止隔板支架此處的損壞。

6.3 通過這兩種不同的隔板支架，不僅能很好的分析出鐵皮文件柜隔板支架失效的原因， 還可以分析很多其他形狀結構的隔板支架， 更好的加以改進。