ANSYS卡扣插拔力仿真分析的全流程

概述

卡扣是一种简单、快速且具有成本效益的方法，可以组装两个零件，尤其是塑料零件。用整个上下盖板总成模型做仿真分析，计算量太大，不容易收敛。该总成包含9个相同的卡扣，只选取其中一个做仿真模拟（单个卡扣插入力范围要求：10-15N），如下图所示。

   上下盖板总成模型
 

   选取一个卡扣的子模型
 

原卡扣几何数模问题

原卡扣几何数模存在以下问题：

1. 卡槽接触的位置没有倒圆角
2. 卡扣和卡槽转角处没有圆弧过渡区（转角准则 ）
3. 卡扣的上下运动空间不够
4. 卡扣的宽度大于卡槽的宽度
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      卡槽接触的位置没有倒圆角
    

   卡扣转角处没有圆弧过渡区
 

   卡扣转角处没有圆弧过渡区
 

   卡槽转角处没有圆弧过渡区
 

   卡扣的宽度大于卡槽的宽度
 

   卡扣的上下运动空间不够
 

   塑料件设计的转角准则
 

原卡扣的模型简化

优化和简化后的卡扣几何数模如下图所示：

1. 在卡槽接触的位置增加倒圆角（R=0.2mm），这样卡扣插入的更加顺利方便计算
2. 去掉卡扣的限位区域（该结构设计需要改进），不然卡扣无法插入

   简化前的卡扣几何数模
 

   简化后的卡扣几何数模
 

卡扣的网格划分

卡扣的有限元网格如下图所示：

1. 上卡扣（公卡扣）采用四面体单元（如果几何形状规则，尽量采用六面体单元）
2. 卡槽（母卡扣）采用六面体单元
3. 整个卡扣模型单元数：7698，节点数：18359。
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      卡扣的有限元网格
    

卡扣的材料参数

卡扣仿真分析的材料参数如下图所示：

卡扣仿真分析的流程

卡扣仿真分析的流程如下图所示：

1. 采用静力学分析模块
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      卡扣workbench仿真分析的流程
    

卡扣仿真分析的接触参数设置

接触参数设置

1. 分别选取卡扣和卡槽为接触面和目标面，将所有可能产生接触的面都选上
2. 将 默认的接触类型 bonded 改为摩擦接触 frictional，摩擦系数0.1
3. 接触行为设置表现为对称Symmetric，约为两个物体的材料相似的。
4. 接触方程采用增强的拉格朗日的方式Augmented Lagrange（常用）
5. 探测方式采用高斯点的方式On Gauss Point
6. 刚度设置采用默认
7. 刚度的更新设置为每一个迭代步后都更新，强制更新Each Iteration，Aggressive。
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      卡扣和卡槽的接触面
    

   卡扣和卡槽的接触参数设置
 

卡扣仿真分析的边界条件

边界条件如下图所示：

1. 卡槽（母卡扣）为固定约束。
2. 上卡扣（公卡扣）沿Z方向加强制位移-10mm，并约束其两端剖面的X，Y方向的平动自由度。
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      卡扣插入过程仿真分析的边界条件及载荷
    

   卡扣插入过程仿真分析的位移载荷
 

卡扣仿真分析的求解参数设置

求解参数设置

1. 仿真时长 30s
2. 载荷步打开 (on）,相关数值如图示
3. 初始步200 , 最小 最大步数为什么设置这个 初始载荷步、 最小、最大载荷步？这是由于 这个卡扣在没有接触时，计算量很小，可以加快步伐，当很接触时，计算量大，计算慢。初始载荷步就是，一开始把30s分为200步。一开始，运动没有阻碍，运动顺畅，那么程序就把步数自动调节为最小步数，当接触后运动手里变化剧烈，那么程序自动调大步数1000步。
4. 求解方法，如果内存充足那么就用直接法。
5. 大变形一定要打开：如果变形超过模型尺寸10%那么必须打开
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7. 
      卡扣插入过程求解参数设置
    

卡扣仿真分析的后处理

后处理参数设置

1. 插入应力：Equivalent Stress（Maximum Over Time），插入整体变形：Total Deformation，插入支反力：Force Reaction。
2. 点击计算（Solve）。
3. 观察力是否收敛：可以看到计算时长t 和受力f收敛曲线，可以看到到都收敛。
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      卡扣插入过程后处理参数设置
    

   观察力是否收敛参数设置
 

   计算时长 t 和受力 f 收敛曲线
 

后处理结果查看

1. 卡扣插入过程的应力（Equivalent Stress）和变形（Total Deformation）动画如下图所示。
2. 卡扣插入过程的支反力f的曲线如下图所示，可以看出卡扣-Z方向最大支反力为24N。
3. GIF
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      卡扣插入过程的应力（动画）
    

   卡扣插入过程的位移（动画）
 

   卡扣插入过程支反力f的曲线
 

后处理结果查看

1. 卡扣插入过程的应力（Equivalent Stress）和变形（Total Deformation）动画如下图所示。
2. 卡扣插入过程的支反力f的曲线如下图所示，可以看出卡扣Z方向最大支反力为-24N。
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      卡扣插入过程卡扣的应力  
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      卡扣插入过程卡槽的应力  

卡扣仿真分析的结论

卡扣插入过程仿真分析的结论：

1. 原卡扣几何数模问题有待修正，遵循塑料卡扣连接的设计原则和技巧。
2. 原卡扣的材料参数有待确认。
3. 卡扣插入过程中上卡扣（公卡扣）的最大应力为149.3MPa，超过材料的抗拉强度55MPa，不满足强度设计要求。卡扣的最大应力区（转角处）需要增加圆弧过渡区。
4. 卡扣插入过程中卡槽（母卡扣）的最大应力为70.3MPa，超过材料的抗拉强度60MPa ，不满足强度设计要求。卡槽的宽度需要优化。
5. 卡扣插入过程中最大支反力为24N（不满足插入力范围要求：10-15N ）。

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