基于ABAQUS的一類天窗開關(guān)底座拉脫力分析

莫偉偉　劉國承

摘 要：CAE分析是卡扣結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要方法。本文通過ABAQUS，分析并優(yōu)化一類典型天窗開關(guān)底座卡扣的拔出力，有效地找出了設(shè)計缺陷。運用動力學分析與實測對比，成功地解決了底座卡扣脫出問題。

關(guān)鍵詞：拉脫力 ABAQUS 動力學 開關(guān)

Analysis on Polling-out force of Auto Skylight Switch BASE by ABAQUS

Mo Weiwei，Liu Guocheng

Abstract：The CAE is the important path to optimize card buckle structure design， In this paper， adjusting and optimizing the pulling-out force of a type of typical auto skylight switch BASE is useful to find out the design flaws by ABAQUS. The pulling-out problem of the base buckle is solved successfully by comparing the dynamic analysis with the actual measurement.

Key words：pulling-out force， ABAQUS， dynamics， switch

1 引言

對于塑料卡扣的設(shè)計，通過CAE分析，優(yōu)化卡扣插拔力、裝配強度等，已成為很多車輛開關(guān)產(chǎn)品開發(fā)必要手段。

本文以天窗開關(guān)底座卡扣作為研究對象，對底座與外殼的安裝拔出力進行仿真分析，通過不同拔出方向研究，找出底座與外殼卡扣拉脫的薄弱點，優(yōu)化卡扣結(jié)構(gòu)，確定最佳參數(shù)，并通過對比實物進行測試，驗證分析結(jié)果。

2 典型案例

2.1 案例描述

本文的案例產(chǎn)品，如圖 1所示，為某車輛的天窗開關(guān)。底座采用四個對稱的卡扣與外殼緊固，初始設(shè)計的卡接量為0.7mm。底座和外殼的材料分別為PA6GF30和PA6GF15。

從產(chǎn)品的常規(guī)設(shè)計上講，通常設(shè)計考慮底座卡扣豎直方向上的拉脫力≥110N即可。而在實際中，由于底座需要插上接插器，其線束就存在各個方向被拉拽的可能，使得本產(chǎn)品在實物驗證過程中，存在大量的底座拉脫失效件，需要進一步優(yōu)化底座卡扣。

2.2 模型簡化

根據(jù)天窗開關(guān)三維數(shù)模，取外殼與底座相關(guān)部分，簡化圓角等結(jié)構(gòu)，建立模型，如圖2所示。

2.3 模型分析

在選擇分析方法時，由于分析存在不穩(wěn)定的接觸，選用靜力學分析必會存在極難收斂而無法獲取拉脫力的問題。經(jīng)綜合考慮，引入了動力學方法來進行分析。

將處理的模型，導(dǎo)入ABAQUS中，進行網(wǎng)格劃分。模型總單元數(shù)為42121個，單元類型均為C3D10M，即二階四面體單元。

在軟件中設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，建立有限元模型。

2.3.1 材料

設(shè)置材料參數(shù)。其中，PA6GF30與PA6GF15材料參數(shù)均為濕態(tài)參數(shù)，密度分別為1360kg/mm3和1230kg/mm3，楊氏模量分別為6200MPa和3500MPa，泊松比均為0.4。

2.3.2 邊界條件設(shè)定

約束外殼遠離卡扣側(cè)底部，耦合底座接插器上表面，如圖3所示，并根據(jù)分析方案，分別設(shè)置底座向?qū)?yīng)拉脫方向移動，如圖4所示，建立分析對比組。

外殼與底座接觸，設(shè)置為動力學通用接觸，接觸屬性采用無摩擦。

由于動力學分析與靜力學分析相比，會存在一定的慣性影響，故而，為減少分析結(jié)果與實際結(jié)果的誤差，設(shè)置分析的總時間為3s，拉脫行程5mm，即采用測力機的標準測試速度100mm/min進行分析。

2.4 分析結(jié)果

分析底座獲取底座的各個方向的拉脫力由大到小依次為⑤>③>④>①>②。其中，③、④、⑤這三個方向的拉脫力分析結(jié)果均達到設(shè)計標準要求，而①和②兩個方向的拉脫力均未達標，且②方向要遠低于110N，如圖5所示。

3 實物測量與分析

采用高精度測力機，對底座已編號的不同角度方向，拉脫底座上的線束，測量并記錄測試數(shù)據(jù)，如表1所示。

對比測試與分析結(jié)果，原設(shè)計產(chǎn)品③方向?qū)崪y拔出力112N要遠小于分析結(jié)果，但分析各個方向的趨勢基本接近實際。最薄弱方向②實測結(jié)果，約為分析結(jié)果的78.4%。

4 底座卡扣優(yōu)化

綜合考慮模具修模經(jīng)濟性，選擇最佳的卡扣優(yōu)化方式為增加卡接量。

更改底座卡扣，使卡接量分別為0.9mm、1.1mm，依次進行方向②的拉脫力分析，獲得分析結(jié)果，分別為121N和149N。對比之前實測與理論分析結(jié)果的比例情況，預(yù)測0.9mm和1.1mm卡扣方向②拉脫力實際值應(yīng)為94.8N和116.8N，其中，1.1mm理論上滿足優(yōu)化要求。

5 優(yōu)化后可行性分析

卡扣修改后，需要評估其安裝可行性。建立安裝分析和拔出力分析的模型類似，不同點在于運動方向為底座垂直于外殼卡扣安裝方向。分析后發(fā)現(xiàn)最大安裝應(yīng)變出現(xiàn)在外殼卡扣上邊緣，其值為9%，安全系數(shù)為15%/9%=1.6>1.2（PA6GF15材料斷裂應(yīng)變?yōu)?5%），卡扣孔無斷裂風險;底座正向安裝力35N，可以較為輕松實現(xiàn)底座單側(cè)依次安裝。故而，卡接量1.1mm可選用。

最終，修改模具后，測試實物拔出，拉脫方向②的最大載荷為119.6N，滿足設(shè)計要求。

6 結(jié)語

（1）本案例經(jīng)過綜合研究與分析，另辟蹊徑地采用動力學來分析，發(fā)揮了動力學分析沒有收斂性問題的特點，較好地解決了靜力學分析的不足。

（2）通過ABAQUS建立天窗開關(guān)底座與外殼卡扣各向拔出模型，找出底座拉脫最弱的方向，并測試實物獲取相應(yīng)實物數(shù)據(jù)，驗證了分析的有效性，確定了分析與實際差異的比例，為準確解決設(shè)計缺陷提供有力的支持。

（3）尼龍類材料本身存在較強的吸水性，導(dǎo)致材料的性能會有較大的浮動，這也是導(dǎo)致尼龍材料在CAE中很難精確模擬出實際結(jié)果的重要原因，但分析的整體趨勢是一致的，可為類似產(chǎn)品設(shè)計提供寶貴的經(jīng)驗。

參考文獻：

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[2]江丙云，孔祥宏，羅元元編著，ABAQUS工程實例詳解[M].人民郵電出版社，2014.9.