基于Workbench的插挂式智能鞋柜设计及分析

薛兴虎，王方艳，杨光，潘永菲

(青岛农业大学机电工程学院，山东 青岛 266109)

随着5G时代的到来，万物互联离人们的生活也越来越近，人们的日常生活起居也越来越多地使用智能控制，智能家居成为未来家居的发展方向，为人们提供更好的服务[1]。智能鞋柜作为智能家居的重要组成部分，在日常生活中使用频率非常高，直接影响用户生活舒适性及质量。随着智能化、信息化水平的提高，智能鞋柜逐渐融合电子传感等技术，功能也日益完善[2-3]。当前，智能鞋柜主要有抽屉式智能鞋柜、门式智能鞋柜、翻斗式智能鞋柜，在具备一定的智能功能基础上，具有良好的搁放、存储功能，但仍存在使用效率低、臭氧需求高、二次污染等问题。常州工程职业技术学院提出一种插挂式智能鞋柜，在秉承储存功能的基础上，对使用空间进行创新设计，以提高使用效率，该研究为智能鞋柜结构创新研究提供了理论基础和依据，但其研究主要停留在理论阶段，并没有设计出相应的插挂装置，对于实现智能鞋柜的结构设计及优化等问题尚存在不足[4]。

因此，本研究针对目前智能鞋柜使用效率低、臭氧需求高、二次污染等问题，设计一种插挂式智能鞋柜，智能鞋柜整体采用旋转式与插挂式相结合的存储方式，插挂装置可安装臭氧发生器，存放鞋子时，插挂装置可直接伸入鞋内部释放臭氧，改善了臭氧需要充盈整个鞋柜才能达到除臭效果的现状，降低了二次污染的可能性。最后，通过Workbench优化结构参数，确保鞋柜结构及工作强度符合要求。

1 整体结构及工作原理

1.1 整体结构

插挂式智能鞋柜主要包括机械部分、控制部分，机械部分主要由柜体、气弹簧、鞋架、套筒等组成，其整体结构如图1所示。鞋柜柜身由鞋柜盖和鞋柜外壳组成，OLED显示屏安装在鞋柜外壳表面，鞋柜盖位于鞋柜外壳的上方，并在顶部设有把手，底部安装控制系统。气弹簧的两端分别通过轴承与鞋柜盖和鞋柜体连接，其上部的外侧设有套筒，套筒的顶部与气弹簧顶部固定连接，沿套筒的轴向至少设有一层鞋架，鞋架与套筒连接，鞋架上安装有挂钩。

如图1c所示，鞋架包括两个半圆形支架，两半圆形支架的一侧端部之间铰接，另一侧端部之间通过锁定装置固定连接。半圆形支架包括环形板，环形板的环形外侧间隔固定有数个挂钩，环形板的环形内侧间隔固定有数根径向的支撑杆。支撑杆的一端与环形板固定连接，另一端固定有弧形连接板，弧形连接板包裹在套筒的外侧，其中一弧形连接板的环形内侧设有固定块。套筒上设有固定孔和调节轨道，调节轨道沿套筒的轴向设置，沿套筒的轴向间隔设置数个固定孔，固定孔与调节轨道连通，固定块卡在固定孔内时，套筒与鞋架之间固定连接，固定块沿调节轨道上下滑动，实现了鞋架的位置调节，同时可以调节各层鞋架之间的距离。

图1 智能鞋柜结构

鞋柜整体框架可以根据用户需求设计成若干个层次，每一层的高度可以通过套筒进行调节，快捷方便。为了提高鞋柜的收纳容量，内部采用插挂式和旋转式相结合的存储方式，通过用户对显示屏的操作来实现鞋柜的自动打开与关闭。

1.2 工作原理

在存储鞋子时，用户通过OLED显示屏启动装置，由控制模块发出命令，在气弹簧的作用下，带动鞋架缓缓上升直至达到最大高度。开启鞋架上的锁定装置，将鞋架安放到套筒上，使得固定块沿调节轨道上下滑动，安装多层鞋架可调节鞋架间距离，最后通过转动使得固定块卡在固定孔内，完成套筒与鞋架的固定连接。

将鞋子插挂在挂钩上后，需要压缩固定夹板和移动夹板之间的距离，固定夹板和移动夹板伸入鞋内，完成鞋子放置。控制系统发出命令关闭鞋柜，鞋架在气弹簧的带动下缓缓移动至鞋柜体的底部，鞋柜关闭(图2)。

图2 鞋子存储示意图

智能鞋柜可以针对具体情况适当局部加热来达到祛湿效果以及通过释放臭氧达到杀菌除臭效果。智能鞋柜装有温湿度检测元件、杀菌灯、PTC加热器以及显示屏等，以STC89C52单片机为控制核心，通过STC89C52单片机的控制向每个元件传输驱动信号[5-8]。利用臭氧发生器和紫光灯组成除臭模块，除臭装置安装在挂钩上，可伸入鞋内部，通过处理器的智能检测和控制算法，定点定量释放臭氧，完成高效除臭。利用PTC加热器和风扇组成干燥模块，实现祛湿防霉功能，风扇安装在丝杆导轨上，丝杆导轨分别与步进电机连接，步进电机带动丝杆导轨转动，同时带动风扇沿丝杆导轨的轴向上下移动。利用加湿器和风扇组成除尘模块，风扇能够促进水雾的蒸发过程，有效提升鞋柜内湿度[9]，雾化鞋面灰尘，进行除尘功能。电路设计原理图如图3所示。

图3 智能鞋柜控制系统原理图

2 关键部件结构及参数

2.1 支撑系统

插挂式智能鞋柜的支撑系统主要由气弹簧、套筒组成，套筒安装在气弹簧外表面，长度为34 mm，调节轨道沿套筒的轴向设置，宽度为10 mm，沿套筒的轴向间隔设置数个固定孔，固定孔与调节轨道连通。用户可通过套筒完成调节鞋架间距功能。

气弹簧是鞋柜的主要支撑部件，气弹簧杆的力主要是铁管和外界大气压作用于活塞杆横截面上的压力差[10](图4)。鞋柜满载后，对气弹簧的型号进行选择，打开鞋柜所需要的力F开、关闭鞋柜所需要的力F关满足：

图4 气弹簧工作原理示意图

F开=Fm+PΔS-FR(伸展行程)

(1)

F关=PΔS+FR-Fm(压缩行程)

(2)

式中：Fm为鞋子的总重力，N；P为密封缸中高压气体压强，Pa；ΔS为有杆腔和无杆腔活塞截面积差，cm2；FR为气弹簧内部的摩擦力，N。

为完成对鞋柜的升降动作，既要保证升降的平稳运行，又要保证在鞋柜满载的情况下，能承受住径向力，保证提升的同时不会因径向力而造成卡顿等现象。考虑鞋子质量，以运动休闲鞋为例，一双鞋0.75～1.00 kg，一般来说户外鞋质量较大，可达1.00 kg，运动鞋次之，休闲鞋最轻。目前鞋柜容量8双鞋为80 N，F关为20 N,因此选择气弹簧压力值为100 N，考虑鞋柜外壳直径320 mm、高400 mm，因此安装总长选择680 mm，气弹簧选择型号YQL680-240-22-10-100N，具体数据为安装总长680 mm，行程240 mm，外管直径22 mm，内管直径10 mm，压力值100 N。

2.2 插挂装置

插挂装置主要由鞋架和挂钩组成，为了满足不同用户需求，本研究设计插挂装置可随意拆换，由用户自己选择安装数量，更加便捷。鞋架安装在套筒上，主要部分由两个半圆形支架铰接组成环形板和内侧弧形连接板组成，环形板直径为200 mm、高为20 mm，弧形连接板外径30 mm、内径25 mm，其中内径上设有固定块，宽度为10 mm、厚度5 mm，可配合套筒完成调节功能。挂钩固定在鞋架上，主要由连接架、固定夹板、移动夹板等组成，连接架呈倒T形，长度为120 mm、直径为5 mm，移动夹板宽度为22 mm、厚度为14 mm、弧长为60 mm，固定夹板弧长为85 mm，移动夹板的中上端与固定架板之间通过连接弹簧连接，固定夹板和移动夹板之间设有臭氧发生器安装孔(图5)。因此，臭氧发生器可伸入鞋内部，从而解决鞋内部除臭效果差等一系列问题。

图5 挂钩

挂钩需要压缩固定夹板和移动夹板之间的距离，使固定夹板和移动夹板伸入鞋内(图6)。因此，连接固定夹板和移动夹板之间的弹簧选择很重要，挂钩采用圆柱螺旋扭转弹簧，最大工作扭矩时扭转角φn、刚度T′、有效圈数n满足：

图6 挂钩弹簧结构简图

(3)

式中：Tn为工作扭矩，N·mm；T′为刚度，N·mm/(°)。

(4)

式中：E为弹性模量，MPa；n为有效圈数；d为材料直径，mm；D为外径，mm。

(5)

式中：φ为工作扭转角，(°)；Tn为工作扭矩，N·mm；T1为最小工作扭矩，N·mm。

查表可得弹性模量E为7.8×104MPa，考虑普通鞋码鞋子的鞋宽结合实际前脚掌高度，选择弹簧支撑高度5～10 cm，外径D为12 mm，线径d为1.0 mm，自由状态下扭转角φ1为90°，工作状态下扭转角φn为45°，T′刚度为20 N·mm，有效圈数n为15，研究得到此时的固定架板和移动夹板可以紧贴鞋内壁，保证鞋子悬挂时稳定。

3 插挂装置的静力分析

3.1 模型建立

ANSYS Workbench是新一代的产品研发集成平台，作为大型的通用CAE软件，其计算精度已经在多个行业得到了验证。运用传统家具结点性能检测方法进行试验时，对材料消耗较大[11-13]。因此，采用有限元软件对模型施加载荷，分析模型产生的应力与应变。

插挂装置作为鞋柜整体的重要组成部分，借助Solid Works三维软件建立插挂装置的虚拟仿真模型，利用Solid Works与ANSYS Workbench无缝连接端口完成模型的导入，建立模型大地坐标系，并在Model里进行零部件材料赋予和网格的划分[14]。其材料为PVC泡沫塑料，定义材料属性中密度80 g/mm3，剪切模量3.923 1×107GPa，泊松比0.3。模型中一些不必要的结构特征会对划分网格产生影响，在保证结构不变的情况下对模型进行简化处理，避免了格式转化后的数据丢失[15]，通过对插挂装置强度以及稳定性的静力学分析可预测易发生破坏的位置，为插挂类鞋柜的结构优化提供研究基础。

3.2 载荷加载及强度分析

在工作中，插挂装置为静态受力，主要受到鞋子给予挂钩的承载力。为了便于计算，将作用于插挂装置上的力进行理论计算及简化，并合成为Fx=0.943 4 N，Fy=-0.964 37 N，Fz=1.024 7 N。结合插挂装置工作状态及实际工作条件，将载荷分别施加于插挂装置和挂钩，以减少安装误差带来的影响。对插挂装置进行分析时，选择固定约束命令对插挂装置安装孔6个自由度进行约束；对挂钩进行单独分析时，选择固定约束命令对挂钩的安装架6个自由度进行约束[16]。加载如图7所示。

图7 加载图

将插挂装置三维模型按照实际空间工作位置导入ANSYS Workbench，采用Tetrahedrons四面体单元进行网格划分，精度定义为100，节点数为597 863，单元数为136 727，并将满载时鞋子重力载入，分析插挂装置的形变和等效应力情况。插挂装置变形云及等效应力云如图8所示。

由图8a可知，插挂装置的变形主要分布在放置挂钩的位置，最大形变为1.379 1 mm，小于PVC泡沫塑料的延伸率3.825%，不会影响整体装置工作性能，也不足以引起机构间的干涉，可忽略不计。由图8b可知，插挂装置的最大应力点分布在衔接处，且最大等效应力67.788 MPa，小于PVC泡沫塑料材料的屈服强度，可以满足零件的强度要求。

图8 插挂装置变形云及等效应力云图

综合以上分析可知，智能鞋柜的插挂装置部分的结构设计合理，关键零部件的变形量与应力均在材料允许的范围内，满足工作强度要求和结构要求。

4 鞋柜性能分析

为检验插挂式鞋柜各项性能是否满足要求，分别选取抽屉式智能鞋柜和门式智能鞋柜进行试验。

试验主要从除臭效率和空间利用率两方面进行分析，鞋柜通过检测鞋子内部达到标准臭氧浓度(100 mg/L)的时间进行除臭效率分析。3种智能鞋柜臭氧发生器均采用小功率管式臭氧发生器，其性能参数和工作条件为：功率100 W，质量浓度≥20 mg/m3,臭氧产量≥10 g/h,电压峰值3.545 kV，频率为15 kHz。选定鞋柜的收纳容积均为150 L，通过存储鞋子数量与收纳容积的比值得到空间利用率，结果如表1所示。

表1 鞋柜性能测试结果

由表3可知，插挂式智能鞋柜能提高工作效率，缩短了70%工作时间，在150 L存储容积下，可存储20双鞋子，空间利用率为0.13%。

5 结 论

本研究设计一种插挂式智能鞋柜，具有高效除臭、祛湿、除尘功能。该鞋柜采用插挂式结构提高臭氧利用率及安全性，结合鞋架调节机构提升空间利用率。借助三维虚拟样机技术及ANSYS软件优化关键结构，得到关键零部件的变形量与应力云图，校核其强度及刚度。最后，通过装置的试制和试验得出其强度刚度满足实际需求，具有良好的可靠性及合理性。该插挂式智能鞋柜是一种值得推广的实用型智能鞋柜。