基于MARC的卡扣插拔力仿真分析

2014-11-06岳石锋陶志军卢孝贵邱春晓魏佳斌

机电工程技术 2014年7期

岳石锋，陶志军，卢孝贵，邱春晓，魏佳斌

（敏实集团，浙江宁波 315800）

0 前言

随着塑料工业的蓬勃发展，塑料制品和零件已经在经济的各个领域发挥着异常重要的作用。卡扣作为塑料紧固件的一种，有别于螺纹紧固件、传统的机械连接，其原因在于其材料、连接方式的不同[1]。卡扣与卡扣座的配合时，插拔力是与配合时的过盈量、卡扣座的高度等因素有关，但当下针对此类问题的文献甚少，为此笔者认为对以上问题进行详细研究很有必要。目前，卡扣的结构形式和尺寸参数主要是根据经验、或通过简化成悬壁梁根据挠度公式粗略计算，相对而言精度不高，设变次数较多[2]。笔者通过建立卡扣三维数字化模型的基础上，利用CAE技术和试验方法进行确定合理的卡扣设计。

本文以某型ABS前三角内盖板的卡扣座（DOG HOUSE）作为研究对象，建立卡扣座与卡扣的三维CAD模型，并基于MARC建立相应的CAE模型，对影响卡扣与卡扣座的插拔力的过盈量、高度等进行仿真分析，得出不同过盈量对应的插拔力值；同时通过实验对比该型前三角内盖板与某型挡泥板的DOG HOUSE，通过在实验平台上进行插拔力实验，以得到不同过盈量、高度条件下的插拔力。

1 卡扣插拔力CAE模型建立

1.1 卡扣三维CAD模型的建立

根据某型ABS前三角内盖板的DOG HOUSE与挡泥板的DOG HOUSE，在NX 7.5中建立相应的CAD模型，如图1所示。

图1 卡扣CAD模型

1.2 卡扣CAE模型的建立及边界条件

采用NX 7.5建立三维模型后导入Hypermesh进行前处理，处理完成后导入到MSC.MARC软件，在软件中设置相关参数。

（1）材料

本分析中，卡扣材料POM，DOG HOUSE材料为ABS，参数如表1所示。

表1 卡扣与卡扣座过盈量设置

（2）有限元模型及边界条件设定

对本分析而言，模型中最重要的特征是CLIP与DOG HOUSE接触处所形成接触对区域，对该区域的几何特征包括小圆角及工艺圆角都需要考虑进去并在建模中体现出来，其它地方的小特征都可以去除，最终简化有限元模型如图2所示，模型节点数为5 235，单元数为3 619。

单元类型选择MARC的3D类减缩积分六面体单元，单元号为117。

图2 简化后的CAE模型

边界条件：DOGHOUSE中间加强筋部分固定约束，CLIP模型部位Z向固定，X向因为要适应DOG HOUSE两侧开口不一样的位移，因为不能固定，但如果完全放开的话会因约束不充分产生刚体位移，笔者的处理方法是在该方向用刚度较小的弹簧进行约束，Y向施加位移约束，位移值为CLIP刚好插入到位的值。

（3）接触处理

非液化土层13层；液化土层4层，液化等级从轻微到严重都有，地下水位埋深1～3 m，液化砂土层埋深2～11 m。

对接触非线性而言，分析精度与不仅与网格质量，细节特征的处理有关，而且与接触类型和接触算法的选择也有很大的关系，同样的模型，参数设置不一样，结果差异也会非常大[3]。

在MARC中有两种接触方法：NODE TO SEG⁃MENT 和 SEGMENT TO SEGMENT，NODE TO SEGMENT方法下分两种类型：COULOMB和SHEAR模型，其中COULOMB类型下有三种数值模型：ARCTANTENT（VELOCITY）、BILINEAR（DISPLACEMENT）和STICK-SLIP，SHEAR类型下有两种数值模型：ARCTANGENT（VELOCI⁃TY）和BILINEAR（DISPLACEMENT）。

而SEGMENT TO SEGMENT下分FINITE SLID⁃ING和SMALL SLIDING两种模型，这两种模型下都包含COULOMB和SHEAR两种算法。根据不同的材料属性及接触模型选择合适的接触模型以得到合理的分析结果[4]。笔者建议优先采用SEG⁃MENT TO SEGMENT下的FINITE SLIDING，接触算法为COULOMB模型，该方法一般情况下应力分布较均匀，对摩擦类分析结果相对准确，但该模型在某些情况下存在接触失真的情形，所以在分析中要仔细观察接触过程，并结合实际的变形情况或者其他接触参数的结果进行比对，确保分析与实际变形是一致的，否则容易得到错误的结果。

2 卡扣过盈量与插拔力关系分析

笔者找到了有相似结构且尺寸也接近的某型前三角内盖板和某型挡泥板卡扣与卡扣座的实物，其数模要求三角内盖板的卡扣尺寸为ϕ5 mm，卡扣座4.4，实测其卡扣与DOG HOUSE的过盈量为0.4～0.7 mm；挡泥板数模要求卡扣尺寸ϕ6 mm，DOGHOUSE尺寸5.8 mm，实测其卡扣与卡扣座的过盈量为：0.2～0.5 mm。

以上两种部品的DOG HOUSE高度均为15 mm。

根据过盈量设计经验，结合本次实测值，选取0.1～1 mm的过盈量，如表2所示。根据不同的尺寸按前述方法分别建立有限元模型，分析卡扣与DOG HOUSE过盈量与插拔力的关系。

表2 卡扣与卡扣座过盈量设置

（1）CAE分析值

计算得出插入力、拔出力与过盈量的关系如表3所示，转换成开口宽度与插入和拔出力的关系如图3所示。

表3 过盈量与插拔力关系表

数据显示，过盈量超过0.7 mm以后，插入和拔出力开始显著增加，而在0.1 mm以下拔出力太小，卡扣易脱出。

（2）实测值

利用如图4、5所示专用实验治具，测得三角盖板与挡泥板卡扣与卡扣座过盈量与插入力、拔出力的关系，如表4所示（实测中也记录了卡扣与DOG HOUSE的具体尺寸）。

图3 开口宽度（过盈量）与插拔力关系曲线

图4 三角盖板专用实验治具

图5 挡泥板专用实验治具

表4 实验测得过盈量与插入力、拔出力

（3）实验与CAE值比对

把实测过盈量值与CAE值进行交叉比对，具体如表5所示。

从表5实验与CAE分析结果的对比可发现，仿真模拟结果与实验结果高度吻合，只在间隙量0.4～0.6 mm时，拔出力比插入力要小一些，与实际情况略有差异，但差异并不大，不影响对设计结构的判断。

总体来看，目前所采用的模型及接触算法的设置能真实反应物理模型的力学特性，可以直接代替物理模型的测试，同样分析以后可以在设计阶段就进行CAE分析，以提高设计质量。

表5 实验与CAE结果对比

3 卡扣高度与插拔力的关系分析

另外卡扣与DOG HOUSE间的过盈量并不是唯一影响插拔力的因素，DOG HOUSE的高度也是影响插拔力的因素之一，在此也进行验证。因为没有高度不同的产品，故本次仅限于CAE结果验证，没有物理模型测试结果比对。根据我司产品特点并借鉴以往车型，建立了不同高度的DOG HOUSE与卡扣模型，分析不同高度条件下、不同过盈量条件下的插拔力关系，如图6所示。

依据已建立的MARC模型，并考虑不同过盈量条件下的插拔力，仿真得到不同高度、不同过盈量条件下的插拔力关系如表6所示。

图6 不同高度DOG HOUSE与卡扣CAE模型

根据表3、表4与表6，可得在9～15 mm的DOG HOUSE高度范围内，对插拔力的主要因素为卡扣与DOG HOUSE的过盈量；只有在5～9 mm的DOG HOUSE高度范围内，高度才成为影响插拔力不可忽略的因素。同时在此提醒设计者，不同的DOG HOUSE高度条件下，过盈量成为唯一考虑插拔力的设计因素是不明智的。