基于ABAQUS 的雨刮器卡扣有限元模擬研究

邊 暉*，劉淑民，佟麗麗，劉淑貞，張嘉偉，劉 暢

(1.天津市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)技術(shù)研究院,天津;2.國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)管技術(shù)創(chuàng)新中心(石油石化產(chǎn)品質(zhì)量安全),天津；3.天津工業(yè)大學(xué),天津)

引言

近年來汽車工業(yè)的發(fā)展十分迅速，作為汽車最基本和最重要的結(jié)構(gòu)之一的雨刷器也引起人們的關(guān)注。關(guān)于雨刮器裝置的仿真分析眾多，于曉麗[1]等人基于SOLIDWORKS 設(shè)計(jì)了雨刷器并對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析，證明了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性；唐揚(yáng)揚(yáng)[2]等人對(duì)雨刮器系統(tǒng)的摩擦振動(dòng)進(jìn)行有限元分析，分析了雨刮器工作中產(chǎn)生振動(dòng)噪聲的機(jī)理，為降低噪聲提供了依據(jù)；Yang[3]等人研究了雨刮器反裝過程中的摩擦振動(dòng)，建立了摩擦振動(dòng)的數(shù)值模型，為優(yōu)化雨刮器提供了理論依據(jù)；同樣在其他裝置中，對(duì)卡扣的有限元分析也十分成熟，李延峰[4]等人分析了冰箱卡扣配合尺寸對(duì)扣緊力的影響；雷恒[5]等人，采用有限元方法對(duì)汽車前門內(nèi)飾板出現(xiàn)抖動(dòng)的現(xiàn)象進(jìn)行了解釋，并提出了問題的原因。不論在雨刮器還是卡扣的研究分析中，采用有限元方法是最常見和最經(jīng)濟(jì)的，不僅縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間而且大大提高了經(jīng)濟(jì)效益[6]。

雨刮器由雨刷片、雨刮臂、雨刷驅(qū)動(dòng)裝置、雨刷器連桿、雨刷器電動(dòng)機(jī)組成，各個(gè)組成單元在雨刮器裝置中起著重要作用?？圩鳛橛晁⑵陀晁⒈坻溄庸潭ǖ闹匾溄恿慵?，在工作和使用過程中有以下問題：（1） 卡扣斷裂或破損[7]：長(zhǎng)期使用或外力沖擊可能導(dǎo)致卡扣斷裂或破損，使雨刷無法正常工作或脫落。（2） 卡扣松動(dòng)或變形：使用過程中，雨刷器卡扣可能由于材料的疲勞、安裝不穩(wěn)固或外力影響而發(fā)生松動(dòng)或變形。（3） 卡扣鎖定失效[8]：如果鎖定失效，雨刷片可能會(huì)擺動(dòng)或自由移動(dòng)，影響清潔效果。（4） 安裝問題：安裝不正確或不穩(wěn)固可能使雨刷器卡扣無法正確固定雨刷片和雨刮臂。在以上問題中，卡扣松動(dòng)和鎖定失敗將會(huì)嚴(yán)重影響雨刮器的清潔效果[9]。由于前人很少涉及到雨刮器卡扣的配合分析，并且針對(duì)卡扣工作失效的問題，有必要對(duì)雨刮器卡扣的配合過程進(jìn)行有限元分析，為雨刮器的清潔力提供理論依據(jù)。

1 卡扣有限元模型

1.1 幾何模型

通過SOLIDWORKS 三維建模軟件，建立雨刮器卡扣三維模型，如圖1 所示，卡扣的寬度為15 mm，長(zhǎng)為40 mm,高為11.5 mm。將裝配體文件保存為STEP文件，導(dǎo)入ABAQUS 中，這樣可以省略在ABAQUS 中重新裝配的過程。由于模型有良好的對(duì)稱性且只分析卡扣配合處，將整體卡扣模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。

圖1 卡扣簡(jiǎn)化模型

1.2 材料參數(shù)

該模型中使用內(nèi)卡扣的材料為聚丙烯聚合物，這種材料具有良好的韌性、耐磨性和耐候性，能夠承受雨刷器在使用過程中的重復(fù)運(yùn)動(dòng)和環(huán)境壓力。外卡扣采用的是圓鋼，在ABAQUS 中采用理想的彈-塑性材料模型，各材料參數(shù)見表1。

表1 卡扣材料參數(shù)

1.3 接觸屬性

卡扣的有限元分析是典型的接觸問題，在配合的過程中是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程。這就容易造成模型計(jì)算過程中的收斂問題，并且內(nèi)卡扣涉及大變形問題，有可能會(huì)考慮材料非線性，這種多重非線性組合會(huì)使卡扣有限元仿真需要的時(shí)間很長(zhǎng)和不收斂。

由于模型較為簡(jiǎn)單，采用接觸對(duì)和面-面接觸，外卡扣設(shè)為主面，內(nèi)卡扣設(shè)為從面，采用有限滑移。接觸屬性描述接觸過程，包括法向?qū)傩院颓邢驅(qū)傩詢刹糠諿10]。接觸屬性法向?yàn)椤坝病苯佑|，切向?yàn)榱P摩擦，摩擦系數(shù)為0.15。為了縮短計(jì)算時(shí)間和精確分析內(nèi)卡扣的配合過程，將外卡扣設(shè)為剛體，不考慮外卡扣的變形。

1.4 網(wǎng)格劃分

為了確保收斂性并且獲得較高的高精度求解結(jié)果，需要在接觸配合處將網(wǎng)格加密。雨刮器卡扣形狀較為復(fù)雜，網(wǎng)格單元采用四面體網(wǎng)格，采用二階四面體網(wǎng)格來保證求解精度。考慮到接觸問題和二階四面體網(wǎng)格形函數(shù)的形式，采用C3D10M 單元，可有效提高接觸有限變形時(shí)的穩(wěn)健性。模型單元數(shù)為74 828，總結(jié)點(diǎn)數(shù)為114 785。

1.5 邊界條件

考慮到雨刮器卡扣的配合過程，將外卡扣所有自由度全部固定，約束內(nèi)卡扣X、Y 以及繞Y 軸和繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。對(duì)內(nèi)卡扣施加X 正方向4 mm 的位移，切好使內(nèi)卡扣進(jìn)入到外卡扣孔內(nèi)。

2 結(jié)果分析

2.1 雨刮器卡扣配合過程

雨刷器卡扣配合過程分4 個(gè)階段，如圖2 所示。OA 段為內(nèi)外卡扣剛接觸階段，此階段內(nèi)外卡扣受到內(nèi)卡扣推力（默認(rèn)內(nèi)卡扣配合方向?yàn)檎?，從零開始逐漸增加；隨后進(jìn)入AB 階段，推力逐漸降低；當(dāng)內(nèi)卡扣完全進(jìn)入外卡扣下部時(shí)，進(jìn)入BC 階段，此時(shí)外卡扣收到的推力基本不變，主要由內(nèi)外卡扣之間的摩擦引起；之后內(nèi)卡扣完全插入到外卡扣中，此時(shí)受到內(nèi)卡扣的拉力達(dá)到400 N 左右，使卡扣卡緊。

圖2 卡扣配合過程

2.2 摩擦系數(shù)對(duì)卡扣強(qiáng)度的分析

在卡扣配合過程的分析中，考慮整個(gè)配合過程中內(nèi)外卡扣受摩擦力的影響，分析三種不同摩擦力下卡扣扣緊力的變化趨勢(shì)，如圖3 所示，從圖中可以觀察到隨著卡扣表面摩擦系數(shù)的增加，在OB 段內(nèi)卡扣對(duì)外卡扣的推力逐漸增加。通過對(duì)比三種摩擦系數(shù)下內(nèi)卡扣的應(yīng)力可以發(fā)現(xiàn)，摩擦系數(shù)為0.1 時(shí)，最大馮米塞斯應(yīng)力為938.1 Mpa,摩擦系數(shù)為0.15，最大馮米塞斯應(yīng)力為947.9 Mpa,摩擦系數(shù)為0.2，最大馮米塞斯應(yīng)力為959.8 Mpa, 因此在制作卡扣的過程中應(yīng)該考慮內(nèi)卡扣受摩擦系數(shù)的影響，避免對(duì)內(nèi)卡扣造成斷裂、裂紋等現(xiàn)象，保證對(duì)雨刷器的可靠性和清潔力，對(duì)駕駛?cè)藛T做到最有利的保護(hù)。

圖3 卡扣扣緊力及應(yīng)力與摩擦系數(shù)關(guān)系

2.3 卡扣配合距離對(duì)扣緊力分析

為了了解內(nèi)外卡扣間的配合關(guān)系是否對(duì)卡扣扣緊力有影響，定義了內(nèi)卡扣上邊與外卡扣下邊之間的距離為卡扣的配合距離。設(shè)置兩組參數(shù)分別為0.3 mm 和0.35 mm，分析對(duì)卡扣扣緊力的影響。

如圖4 所示，通過數(shù)據(jù)分析軟件Origin 對(duì)2 組數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理和對(duì)比。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，不論是X方向的扣緊力還是Z 方向的扣緊力，兩者隨時(shí)間的變化趨勢(shì)是一致的，可以證明兩個(gè)仿真分析的準(zhǔn)確性。取穩(wěn)定變化階段的平均值，分析比較X 方向的扣緊力，當(dāng)配合距離為0.3 mm 時(shí)，最大扣緊力為317 N，當(dāng)配合長(zhǎng)度為0.35 mm 時(shí)，最大扣緊力為304 N，同比扣緊力減低了4.72%，從曲線變化趨勢(shì)上分析，整個(gè)配合過程的扣緊力都有降低，其原因?yàn)殡S著配合距離的增加，內(nèi)卡扣對(duì)外卡扣產(chǎn)生的推力在Z 軸上的分量增加；取穩(wěn)定變化階段的平均值，分析比較Z 方向的扣緊力，兩者僅在OB 段的扣緊力出現(xiàn)不同，而BD 段的扣緊力幾乎一致。

圖4 卡扣配合距離和扣緊力的關(guān)系

考慮到卡扣對(duì)雨刮器清潔力的影響，要合理分配內(nèi)外卡扣的配合距離，若出現(xiàn)松動(dòng)或者異響等問題[11]，可以從卡扣配合距離角度去避免這類現(xiàn)象的發(fā)生。

3 結(jié)論

（1） 本研究介紹了卡扣有限元仿真的過程，考慮了卡扣模擬過程的大變形以及材料非線性，證明了用ABAQUS 有限元軟件對(duì)雨刮器卡扣進(jìn)行有限元分析的有效性和使用性，為雨刷器卡扣性能改善提供了有價(jià)值的見解。

（2） 分析了雨刮器卡扣配合過程和內(nèi)卡扣的變形情況，將配合過程分為4 個(gè)階段，詳細(xì)分析了每個(gè)階段的運(yùn)動(dòng)情況和內(nèi)卡扣的變形情況，當(dāng)內(nèi)卡扣進(jìn)入外卡扣的瞬間，扣緊力達(dá)到400 N。

（3） 對(duì)卡扣扣緊力隨摩擦系數(shù)的變化進(jìn)行了評(píng)估，對(duì)比三種不同的摩擦系數(shù)下卡扣的應(yīng)力分布和變形，當(dāng)摩擦系數(shù)由0.1 到0.15 時(shí)，內(nèi)卡扣的馮米塞斯應(yīng)力升高1%，摩擦系數(shù)由0.1 到0.2 時(shí)，應(yīng)力升高2.3%，因此可以從卡扣間的摩擦系數(shù)考慮，提高卡扣的耐用性。

（4） 內(nèi)外卡扣配合距離對(duì)扣緊力會(huì)產(chǎn)生影響，當(dāng)配合距離由0.3 mm 到0.35 mm 時(shí)，扣緊力降低了4.72%，要減小卡扣間的距離進(jìn)而提高卡扣的扣緊力。