摘要

根据提供的卡扣几何模型、材料数据、载荷数据，对其进行卡扣滑动计算。采用ANSYS14.5建立卡扣的有限元模型并施加载荷，获得卡扣的滑动力曲线。

1 问题来源与分析目的

根据提供的卡扣与导轨几何模型、材料数据、载荷数据，对其进行卡扣滑动计算。采用ANSYS14.5建立卡扣的有限元模型并施加载荷，获得卡扣滑动时的滑动力的大小。

图1  卡扣与导轨的实际模型

图2 计算目的

2 过程说明

2.1 几何模型

本次分析模型由微软深圳中心提供，如下图所示。根据分析目的和模型特点，可以采用二分之一模型，并根据边界处理条件对模型进行一定的简化，以达到减少计算规模的目的，实际用于计算的几何模型如图4所示：

图3 初始几何模型

图4 计算使用的几何模型

2.2 约束和加载

根据分析目的，需要获取卡扣滑动时的滑动力大小，直接进行滑动力的施加，不容易得到准确的计算结果，而且对计算过程中的数值稳定性有一定的影响，所以将载荷加载改为位移加载，提取支反力大小，最终确定滑动力与滑动距离的关系，获得最终的计算结果。实际约束和加载如下图所示，导轨（蓝**域）底面进行固定约束，卡扣尾端（红**域）施加位移载荷，大小为11mm：

3  计算模型与计算数据

3.1 计算所用单位

整个计算过程中所采用的单位系统为：长度-毫米(mm)；质量-吨(t)；力-牛顿(N)；时间-秒(sec)；导出单位：密度-吨/毫米³ ( t/ mm³)；弹性模量-牛/毫米² (N/mm²)，即MPa；应力-牛/毫米² (N/mm²) ，即MPa。

3.2 材料数据

卡扣和导轨的材料（Ticona）参数如下表所示

表1   材料力学参数

由于卡扣在滑动过程中会发生较大变形，并产生较大的应力，会发生塑性变形，所以需要输入塑性区域的材料参数，采用各向同性的多线性材料本构，输入其应力应变曲线，如下图所示：

图6  材料的应力应变曲线

表2  塑性区域的应力—应变数据

3.3 计算模型的处理

根据模型的结构特点，生成高质量的网格。选择不同单元类型进行网格划分：由于卡扣在滑动过程中会与导轨相互挤压，导致网格的扭曲变形，所以需要对接触区域进行六面体（Solid186）网格划分，其他区域进行四面体（Solid187）网格划分，导轨其他部分为不关心区域，所以采用较粗网格，卡扣区域需要得到较好的应力结果，所以采用四面体网格加密，总体单元数为66557个，节点数为112923个。最终形成的整体有限元计算模型如下图所示：

图7  有限元模型

3.3 计算模型的处理

对于卡扣与导轨之间的接触关系处理是本次分析的重点，根据实验获得的摩擦系数，导轨与卡扣之间的摩擦系数为0.2，导轨为目标面（蓝色），卡扣为接触面（红色），接触算法为Augmented Lagrange算法，罚刚度因子为0.2。

图8  接触设置

4  计算结果

图9 计算完成后的卡扣位置

图10 卡扣滑动后产生的残余应力

图10 卡扣滑动后产生的塑性变形

图11 卡扣滑动位移与滑动力的变化曲线

4  总结

根据上述计算结果可知，卡扣在初始滑动中的最大滑动力为4.7N，因为采用的是1/2模型，所以在原有数值上需要乘以2。后续滑动需要的滑动力为4.2N，原因是卡扣发生了较小的塑性变形，产生了不可恢复的变形。

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