بررسي تأثير شكل هندسي، اندازه و خواص مكانيكي كليپس بر ميزان تنش‌ هاي ايجاد شده در انگشت شست در حين مونتاژ

Evaluation of the influence of the clips geometry on the mechanical stresses generated on the thumb during assembly work

مقدمه: امروزه خار های فنری یا همان كلیپس ها دارای مزایا و كاربرد های بسیاری در صنایع خودرو سازی، به خصوص عملیات مونتاژ هستند. از كلیپس ها به جای پیچ و مهره ها و یا در تودوزی اتومبیل ‏ها و كابل كشی ها استفاده می ‏شود. به دلیل ساختار كلیپس ها، مونتاژ آن ها عمدتاً به صورت دستی انجام می شود. از این رو، شكل سطح تماس و تیز بودن سر كلیپس ها می تواند درد و ناراحتی های پوستی برای انگشت كاركنان ایجاد كند. این امر، ضرورت مطالعه ارگونومیكی را به منظور كاهش فشار های وارده بر كاركنان و افزایش بهره‏وری و سلامت آنها ایجاب می كند.. روش كار: به منظور مطالعه میزان فشارهای وارد بر پوست، با توجه به وجود رسپتور های تشخیص درد در لایه میانی و بررسی میزان تنش های مكانیكی ایجاد شده در انگشت شست كارگران در حین كار با كلیپس ها، از روش المان‌های محدود(Finite Element Method-FEM)، كه یكی از معتبرترین روش های محاسبات عددی و شبیه سازی كامپیوتری می باشد، بهره گرفته شده است. برای این منظور ابتدا مدل سه بعدی انگشت شست ازروی داده های سی تی اسكن نمونه دست واقعی ایجاد شد. البته برای تشكیل لایه های مختلف پوست از عملیات بولی (Boolean Operations) استفاده گردید. سپس شرایط مرزی تعیین و درنهایت ساختارهای مختلفی برای بررسی تاثیر شكل هندسی، اندازه و خواص مكانیكی كلیپس ها  معرفی گردید. یافته ها: به طور كلی، نتایج نشان می دهند كه برای كلیپس هایی كه سطح تماس آن ها با پوست انگشت شست فقط از لبه گرد برخوردارند، بیش‌ترین تنش فشاری در لایه میانی پوست، با افزایش شعاع انحنا، كاهش می یابد. در حالی‌كه این نوع تنش در كلیپس های با ساختار تركیبی در ناحیه لبه كلیپس (مركب از انحنا و سطح تخت)، با افزایش شعاع انحنا به مقدار كمی افزایش می یابد. نتایج حاصل از محاسبات در مورد جنس كلیپس ها، نشان می دهند كه  نرم بودن جنس كلیپس فقط تا اندازه ای در كاهش تنش موثر است (فقط برای جنس های لاستیكی) ولی برای كلیه اجسام سخت از پلاستیك گرفته تا فولاد، شدت بیش‌ترین تنش فشاری برای همه موارد ذكر شده به صورت یكسان افزایش می یابد. نتیجه گیری: به طور كلی، نتایج نشان می دهد عوامل مختلفی مانند ساختار هندسی، جنس و خواص مكانیكی بر تنش وارد شده به انگشت دست در حین مونتاژ موثر می باشند. با این حال میزان تاثیر هریك از این عوامل متفاوت می باشد كه این اطلاعات می تواند در طراحی ارگونومیكی كلیپس ها مورد توجه قرار گیرد.

Introduction: Nowadays, Snap-fits have many applications in the automotive industry, especially in assembly lines. They are used instead of the mechanical joints such as bolts, the cabling joints, and the car interior lining joints. Due to the special form of these fasteners, they are usually assembled manually. So, the form of clips’ contact area and the sharpness of the Snap-fits may cause the skin pains on the worker’s fingertips. This fact can cause an ergonomic study of these joints for reducing stress on workers and increasing their efficiency and health. Material and Method: The Finite Element Method (FEM), which is one of the most recognized methods in numeric calculation and computer simulations, is used in order to study the pressures applied to skin due to the pain receptors in the middle layer of skin, and mechanical tensions created in the workers’ thumbs during their work with clips. In order to do this, first a 3D model of a thumb, based on the CT scan data taken from a real thumb sample was created. To identify the different layers of skin, Boolean operations were used. Afterwards, the limit conditions were determined and finally different structures were made to analyze the size, geometric shape and mechanical properties of the clips. Result: In general, the results show that for those clips that their thumb touching surface is only round in edges, the most pressure on the middle layer of skin decreases as the radius of the round edge increases. Whereas such tensions, lightly increase as the radius increases in those clips that have a hybrid design (the combination of flat and curved surfaces). The result of the material analysis for clips shows that using elastic materials has only a limited effect on reducing tensions (only if rubber like materials are used) and for all tough materials, be it plastic or steel, the intensity of pressure tension would increase in the same manner on all the mentioned items. Conclusion: The results suggest that during assembly work there are different factors which affect the tension on the fingers, factors like geometric structure, material and mechanical properties. However, the magnitude of those items’ effects are not the same, and that data can be observed while making an ergonomic design for clips.