铁皮文件柜是通过一系列严密的制作过程制造的， 其材料是冷轧钢板， 铁皮文件柜的用途一般是放置日常有用的纸制资料文件、 更衣间用来存储衣物以及其他分类的文件或物品的容器。办公室的铁皮文件柜里放的书等资料多了以后， 层间隔板经常发生失效， 失效的原因主要是下面的小托架失效。本文任务要求首先认真观察铁皮文件柜层间隔板托架失效现象， 然后从理论和有限元计算两个方面校核托架的稳定性， 最后提出改进意见。

1 引起铁皮文件柜隔板支架失效的因素造成铁皮文件柜隔板支架失效的因素大致可以分为化学因素和力学因素两个方面。

首先， 化学因素就是隔板支架由于受到酸碱盐等化学物质腐蚀或长期处于潮湿的环境造成隔板支架生锈而造成的失效问题。其次， 我们重点要分析的就是力学因素， 就是由于承载重物质量过大，造成隔板支架弯曲， 甚至断裂，从而导致隔板支架失效。铁皮文件柜隔板支架失效的力学分析涉及到了材料力学的稳定性问题， 弯曲问题， 应力分析问题， 强度理论问题， 材料问题等。

2 隔板支架由于承重而失效的理论分析首先，取到铁皮文件柜隔板支架实物模型后后先用游标卡尺测量出隔板支架的各项尺寸大小， 其中， 铁皮文件柜隔板支架的厚度为 1mm。 使用 CAD 画图软件建立铁皮文件柜隔板支架的平面图形，并标明尺寸， 如图 1 所示：第一步，对隔板支架进行受力分析如图 2 所示： q 为均布荷载，方向垂直向下； q1 为隔板支架上部所受的分布荷载，方向水平向右；q2 为隔板支架下部分所受的分布荷载，方向水平向左； F 为支架下部分所受的作用力， 且方向垂直向上。

受力分析计算： 要想得出铁皮文件柜隔板支架工作时所受的作用力 F 大小，要先测量出铁皮文件柜隔板的长度尺寸 L ， 平均每本书的厚度 l， 平均每本书的质量 m。

第三步， 截取隔板支架上部分分析，这一部分的受力情况如图 4所示。

经过测量后所得到的 L、 l、 m 的值分别为： L=85.00cm， l=3.50m，m=1.0kg。然后， 通过公式进行计算求力 的大小， 因为每层隔板是由四个支架支撑的， 所以第二步，从静力等效方面对隔板支架进行受力分析， 受力情况如图 3 所示。

隔板支架上下部分受等效力大小均为 F， 上部分的等效力力作用于所在面的中间位置， 即 15.00mm/2 处，分布力作用的两个面的等效力分别为 F1 和 F2，且都处于所在面的 2/3 处， 即 F1 的作用点处于距离 A 点 处， F2 的作用点处于距离 A 点处。

有这两个受力分析图可得出等效力的大小等于分布力的面积大小， 所以可以得出等效力 F1 和 F2 的大小：由受力平衡可以得知：由静力等效分析后， 如果要使隔板支架处于平衡状态， 就要使得零件所受的力矩为零， 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，这一部分的受力情况如图 4所示。

图 3 铁皮文件柜隔板支架静力等效受力分析图图 4 铁皮文件柜隔板支架上部分受力分析及正应力由分析可知， 截面 A 处的正应力 ［2］其中， 为 A 截面所受的正应力， M 为此部分所受的弯矩大小， WZ 为截面的抗弯截面系数， b 为隔板支架的实际厚度， 值的大小为 b=1.0mm， h 为截面的高度， 值的大小为 h=6.00mm［1］。

通过就算可以得出：因为， 铁皮文件柜隔板支架的选用材料为 Q235 钢材， 所以，经查阅 《材料力学 I》 可知， Q235 钢材的屈服极限为： ；3 隔板支架由于承重而失效的有限元分析把铁皮文件柜隔板支架模型划分网格后，施加应力和约束如下： 首先，在线段 L11、 L2、 L8 处施加水平方向的位移约束； 其次，在线段 L3 处施加水平方向的位移约束； 另外，在 13 号关键点处的节点上施加所有自由度方面的约束；最后在线段 L10 上施加分布载荷 3966666.7Pa 见 （图 5）。

可以看出， 图 6 蓝色区域中的节点的 X 方向变形最大， 图 7 蓝色区域中的节点的 Y 方向变形最大，图 8 蓝色区域中的节点的 Y方向的正应力最大［3］，从以上这些条件， 我们还不能完全知道铁皮文件柜隔板支架的失效的强度界限，我们可以从 ANSYS 软件分析的结果中得到第三强度理论分析的图表 （图 9）。可以看出， 损坏的区域主要分布在铁皮文件柜隔板支架下弯曲的蓝色区域。

通过设置预存应力并进行静力分析，计算屈曲特征值，计算屈曲特征向量对托架进行屈曲分析， 结果摘要 （图 10）显示最小屈曲负载为 1707.8.得到失稳临界荷载为。

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 有缺陷的铁皮文件柜隔板支架的有限元分析在实际分析中， 我们发现了两种不同的隔板支架，有些隔板支架右侧边缘上有凹进去的部分， 通过有限元建模，分析凹槽部分给铁皮文件柜隔板支架所带来的影响得出一系列的铁皮文件柜隔板支架的零件变形图和数据 （图 11- 15）。

结果摘要 （图 16）显示最小屈曲负载为 1926.6，得到失稳临界荷载为。

5 结果的分析与讨论5.1 理论分析，从铁皮文件柜隔板支架的受力分析和静力等效方面分析， 通过计算求得：此结论可以证明： 铁皮文件柜隔板支架的强度是足够的，不会发生超重导致的失效破损。

5.2 通过 ANSYSY 软件的建模分析， 无缺陷的铁皮文件柜隔板支架在施加最大的荷载时，可以得知， 铁皮文件柜隔板支架的强度足够，不会因满荷载发生失效破损。另通过屈曲分析得到失稳临界荷载为 ，远大于装满书时的最大载荷，不会因为失稳发生失效破损。

5.3 通过第二次的 ANSYS 软件的建模分析，有缺陷的铁皮文件柜隔板支架在施加最大的荷载时，可以得知， 铁皮文件柜隔板支架的强度同样足够。

另通过屈曲分析得到失稳临界载荷为 ，远大于装满书时的最大载荷，不会因为失稳发生失效破损。

5.4 通过对这两种情况的隔板支架的分析， 可以得知： 有缺陷的隔板支架与无缺陷的隔板支架在承受最大荷载时 的值大小差别不大， 说明由于缺陷部位基本不受外力作用， 小的缺陷对隔板支架的影响不大， 仍然可以使用。另外， 二者的失稳临界载荷相差也不大， 说明小的缺陷对稳定性的影响不大。

5.5 通过对铁皮文件柜隔板支架 Y 方向的正应力分布情况分析， 理论分析和计算结果表明 A 点 均是 10 几个 MPa， 稳定性分析过程也较顺利，得到了两种情况下的失稳临界载荷远大于装满书时的最大载荷， 说明铁皮文件柜不会因为荷载过大而失稳。

6 结论与展望6.1 理论和计算分析表明铁皮文件柜隔板支架的强度是足够的，不会发生满荷载失效的问题。托架失效的因素实际上还有稳定性的问题，对于铁皮文件柜隔板支架失效的原因更主要的是结构的稳定性问题。

6.2 通过有限元建模分析，从图中我们可以发现隔板支架下方的支撑力处， 是应力最大、 最集中的地方， 也就是说， 隔板支架此处最容易损坏，经过实际的应用体验，发现确实如此。 可以在隔板支架此处增加强度， 或采用其他措施， 防止隔板支架此处的损坏。

6.3 通过这两种不同的隔板支架，不仅能很好的分析出铁皮文件柜隔板支架失效的原因， 还可以分析很多其他形状结构的隔板支架， 更好的加以改进。