基于注塑—結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真的開關(guān)開裂分析

劉國承++胡光良

摘 要：本文利用Moldflow、Helius、Abaqus三款軟件對某開關(guān)外殼卡扣開裂進(jìn)行聯(lián)合仿真分析，并與傳統(tǒng)的采用Abaqus單純進(jìn)行機械強度分析做對比，分析兩種方法的結(jié)果差異，找出卡扣開裂原因，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果滿足使用要求。

關(guān)鍵詞：開關(guān)；開裂；聯(lián)合仿真

中圖分類號：TQ320.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）05-0047-02

1 前言

汽車中各種控制開關(guān)均為塑料件，而開關(guān)各零件間基本是靠卡扣連接，卡扣的強度直接關(guān)乎開關(guān)整體的功能和壽命。某開關(guān)卡扣在裝配過程中出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，本文通過單純從機械強度角度，不考慮注塑因素影響，采用Abaqus對卡扣強度進(jìn)行分析，和采用Moldflow、Helius、Abaqus三款軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真分析兩種方法。對比分析結(jié)果差異并查找開裂原因，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使優(yōu)化結(jié)果滿足使用要求[1]。

2 問題描述與分析

按鈕組件結(jié)構(gòu)及開裂圖片如圖1-2所示。按鈕裝配過程中，按鈕底座卡扣會將外殼撐開，此時若外殼卡扣位置強度不足會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，初步分析可能由于卡扣卡接量設(shè)計過大外殼被撐裂，或外殼注塑過程中卡扣區(qū)域熔接痕分布不合理所致[2]。

3 聯(lián)合仿真簡介

聯(lián)合仿真即改變傳統(tǒng)仿真模式，傳統(tǒng)仿真中模具設(shè)計采用Moldflow進(jìn)行模流分析，結(jié)構(gòu)設(shè)計采用Abaqus進(jìn)行結(jié)構(gòu)強度、剛度分析。而聯(lián)合仿真是將Moldflow分析結(jié)果中纖維取向、殘余應(yīng)變、熔接痕等數(shù)據(jù)映射到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中，映射方法是以等效材料賦予結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中的每個單元，使每個單元具有單獨的材料屬性，以實現(xiàn)材料的各項不同性。流程如圖3所示。

4 模型建立

（1）Moldflow分析模型建立。模型采用3D網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量462314；外殼材料為PP GF30，澆口位置、材料參數(shù)曲線如圖4所示；模具表面溫度40度，熔體溫度230度，注射時間1.2s；運行填充、保壓、翹曲分析。

（2）Abaqus分析模型建立。模型采用二階四面體（C3D10M）網(wǎng)格劃分，外殼網(wǎng)格數(shù)量82314，底座網(wǎng)格數(shù)量30150；外殼材料為PP GF30，彈性模量5050MPa、強度極限115MPa，底座材料PA6 GF30，彈性模量10000MPa、強度極限135MPa約束按鈕外殼上端面全部自由度，耦合按鈕底座下端面并施加強制位移，卡扣間做接觸，模擬裝配過程。有限元模型及邊界條件圖5所示。

5 分析結(jié)果

5.1 單純機械強度分析結(jié)果

卡扣應(yīng)力分布圖6所示，結(jié)果顯示，不考慮注塑因素，單純進(jìn)行機械強度分析，卡扣斷裂處應(yīng)力為80MPa，并未達(dá)到材料的輕度極限值115MPa，無法準(zhǔn)確得出卡扣開裂原因，還需進(jìn)一步排查可能因素。

5.2 進(jìn)行聯(lián)合仿真分析

（1）Moldflow所得熔接痕結(jié)果和映射到結(jié)構(gòu)網(wǎng)格后的結(jié)果。由圖7可知，在外殼開裂的附近區(qū)域存在熔接痕，且此熔接痕正好位于卡扣中心位置，此區(qū)域為裝配時的高應(yīng)變區(qū)，所以基本可以確定是熔接痕導(dǎo)致外殼開裂。圖8可以看到，左圖Moldflow熔接痕結(jié)果準(zhǔn)確的映射到右圖的Abaqus模型中（inp文件），且此時在熔接痕位置的網(wǎng)格材料屬性會進(jìn)行相應(yīng)的弱化，弱化結(jié)果由Helius軟件自行完成。

（2）Abaqus強度計算結(jié)果。圖9所示由聯(lián)合仿真結(jié)果可得到卡扣斷裂位置最大應(yīng)力為146MPa，應(yīng)力值較單純機械強度結(jié)果應(yīng)力值提高83.8%，遠(yuǎn)超過材料的強度極限115MPa，且更加貼近實物狀態(tài)。由此可以判定，外殼卡扣的斷裂是由于熔接痕所致。因此需對熔接痕位置進(jìn)行優(yōu)化，最終得到合格結(jié)果[3]。

6 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

（1）優(yōu)化方案。在考慮修模成本的前提下，經(jīng)過評估，最終采用單澆口注塑設(shè)計，方案如圖10所示。圖11顯示，優(yōu)化后所有卡扣熔接線均被分配到卡扣邊緣，此種分配方式能有效避開卡扣中部大應(yīng)變區(qū)域，且為處理卡扣熔接痕的最佳方案。

（2）優(yōu)化后強度分析結(jié)果。由圖12可得優(yōu)化后卡扣應(yīng)力降低為90MPa，應(yīng)力值較原始結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真結(jié)果降低了32%，效果明顯，且應(yīng)力小于材料強度極限115MPa，結(jié)果滿足強度要求，所以優(yōu)化方案有效。

7 結(jié)語

經(jīng)過增加簡單的一步Moldflow結(jié)果映射，聯(lián)合仿真分析法較傳統(tǒng)方法可準(zhǔn)確判斷開裂原因，并可在設(shè)計初期準(zhǔn)確排查開裂風(fēng)險，可縮短產(chǎn)品、模具設(shè)計周期，減少修模次數(shù)和模具報廢率，做到事半功倍。因此可有效降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]江丙云，孔祥宏，羅元元.ABAQUS工程實例詳解[M].北京：人民郵電出版社，2014.

[2]曹金鳳，石亦平.ABAQUS有限元分析常見問題解[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[3]單巖，王蓓，王剛.Moldflow模具分析技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.