基于MARC的卡扣插拔力仿真分析

岳石鋒，陶志軍，盧孝貴，邱春曉，魏佳斌

（敏實集團，浙江寧波 315800）

0 前言

隨著塑料工業的蓬勃發展，塑料制品和零件已經在經濟的各個領域發揮著異常重要的作用。卡扣作為塑料緊固件的一種，有別于螺紋緊固件、傳統的機械連接，其原因在于其材料、連接方式的不同[1]。卡扣與卡扣座的配合時，插拔力是與配合時的過盈量、卡扣座的高度等因素有關，但當下針對此類問題的文獻甚少，為此筆者認為對以上問題進行詳細研究很有必要。目前，卡扣的結構形式和尺寸參數主要是根據經驗、或通過簡化成懸壁梁根據撓度公式粗略計算，相對而言精度不高，設變次數較多[2]。筆者通過建立卡扣三維數字化模型的基礎上，利用CAE技術和試驗方法進行確定合理的卡扣設計。

本文以某型ABS前三角內蓋板的卡扣座（DOG HOUSE）作為研究對象，建立卡扣座與卡扣的三維CAD模型，并基于MARC建立相應的CAE模型，對影響卡扣與卡扣座的插拔力的過盈量、高度等進行仿真分析，得出不同過盈量對應的插拔力值；同時通過實驗對比該型前三角內蓋板與某型擋泥板的DOG HOUSE，通過在實驗平臺上進行插拔力實驗，以得到不同過盈量、高度條件下的插拔力。

1 卡扣插拔力CAE模型建立

1.1 卡扣三維CAD模型的建立

根據某型ABS前三角內蓋板的DOG HOUSE與擋泥板的DOG HOUSE，在NX 7.5中建立相應的CAD模型，如圖1所示。

圖1 卡扣CAD模型

1.2 卡扣CAE模型的建立及邊界條件

采用NX 7.5建立三維模型后導入Hypermesh進行前處理，處理完成后導入到MSC.MARC軟件，在軟件中設置相關參數。

（1）材料

本分析中，卡扣材料POM，DOG HOUSE材料為ABS，參數如表1所示。

表1 卡扣與卡扣座過盈量設置

（2）有限元模型及邊界條件設定

對本分析而言，模型中最重要的特征是CLIP與DOG HOUSE接觸處所形成接觸對區域，對該區域的幾何特征包括小圓角及工藝圓角都需要考慮進去并在建模中體現出來，其它地方的小特征都可以去除，最終簡化有限元模型如圖2所示，模型節點數為5 235，單元數為3 619。

單元類型選擇MARC的3D類減縮積分六面體單元，單元號為117。

圖2 簡化后的CAE模型

邊界條件：DOGHOUSE中間加強筋部分固定約束，CLIP模型部位Z向固定，X向因為要適應DOG HOUSE兩側開口不一樣的位移，因為不能固定，但如果完全放開的話會因約束不充分產生剛體位移，筆者的處理方法是在該方向用剛度較小的彈簧進行約束，Y向施加位移約束，位移值為CLIP剛好插入到位的值。

（3）接觸處理

非液化土層13層；液化土層4層，液化等級從輕微到嚴重都有，地下水位埋深1～3 m，液化砂土層埋深2～11 m。

對接觸非線性而言，分析精度與不僅與網格質量，細節特征的處理有關，而且與接觸類型和接觸算法的選擇也有很大的關系，同樣的模型，參數設置不一樣，結果差異也會非常大[3]。

在MARC中有兩種接觸方法：NODE TO SEG?MENT 和 SEGMENT TO SEGMENT，NODE TO SEGMENT方法下分兩種類型：COULOMB和SHEAR模型，其中COULOMB類型下有三種數值模型：ARCTANTENT（VELOCITY）、BILINEAR（DISPLACEMENT）和STICK-SLIP，SHEAR類型下有兩種數值模型：ARCTANGENT（VELOCI?TY）和BILINEAR（DISPLACEMENT）。

而SEGMENT TO SEGMENT下分FINITE SLID?ING和SMALL SLIDING兩種模型，這兩種模型下都包含COULOMB和SHEAR兩種算法。根據不同的材料屬性及接觸模型選擇合適的接觸模型以得到合理的分析結果[4]。筆者建議優先采用SEG?MENT TO SEGMENT下的FINITE SLIDING，接觸算法為COULOMB模型，該方法一般情況下應力分布較均勻，對摩擦類分析結果相對準確，但該模型在某些情況下存在接觸失真的情形，所以在分析中要仔細觀察接觸過程，并結合實際的變形情況或者其他接觸參數的結果進行比對，確保分析與實際變形是一致的，否則容易得到錯誤的結果。

2 卡扣過盈量與插拔力關系分析

筆者找到了有相似結構且尺寸也接近的某型前三角內蓋板和某型擋泥板卡扣與卡扣座的實物，其數模要求三角內蓋板的卡扣尺寸為?5 mm，卡扣座4.4，實測其卡扣與DOG HOUSE的過盈量為0.4～0.7 mm；擋泥板數模要求卡扣尺寸?6 mm，DOGHOUSE尺寸5.8 mm，實測其卡扣與卡扣座的過盈量為：0.2～0.5 mm。

以上兩種部品的DOG HOUSE高度均為15 mm。

根據過盈量設計經驗，結合本次實測值，選取0.1～1 mm的過盈量，如表2所示。根據不同的尺寸按前述方法分別建立有限元模型，分析卡扣與DOG HOUSE過盈量與插拔力的關系。

表2 卡扣與卡扣座過盈量設置

（1）CAE分析值

計算得出插入力、拔出力與過盈量的關系如表3所示，轉換成開口寬度與插入和拔出力的關系如圖3所示。

表3 過盈量與插拔力關系表

數據顯示，過盈量超過0.7 mm以后，插入和拔出力開始顯著增加，而在0.1 mm以下拔出力太小，卡扣易脫出。

（2）實測值

利用如圖4、5所示專用實驗治具，測得三角蓋板與擋泥板卡扣與卡扣座過盈量與插入力、拔出力的關系，如表4所示（實測中也記錄了卡扣與DOG HOUSE的具體尺寸）。

圖3 開口寬度（過盈量）與插拔力關系曲線

圖4 三角蓋板專用實驗治具

圖5 擋泥板專用實驗治具

表4 實驗測得過盈量與插入力、拔出力

（3）實驗與CAE值比對

把實測過盈量值與CAE值進行交叉比對，具體如表5所示。

從表5實驗與CAE分析結果的對比可發現，仿真模擬結果與實驗結果高度吻合，只在間隙量0.4～0.6 mm時，拔出力比插入力要小一些，與實際情況略有差異，但差異并不大，不影響對設計結構的判斷。

總體來看，目前所采用的模型及接觸算法的設置能真實反應物理模型的力學特性，可以直接代替物理模型的測試，同樣分析以后可以在設計階段就進行CAE分析，以提高設計質量。

表5 實驗與CAE結果對比

3 卡扣高度與插拔力的關系分析

另外卡扣與DOG HOUSE間的過盈量并不是唯一影響插拔力的因素，DOG HOUSE的高度也是影響插拔力的因素之一，在此也進行驗證。因為沒有高度不同的產品，故本次僅限于CAE結果驗證，沒有物理模型測試結果比對。根據我司產品特點并借鑒以往車型，建立了不同高度的DOG HOUSE與卡扣模型，分析不同高度條件下、不同過盈量條件下的插拔力關系，如圖6所示。

依據已建立的MARC模型，并考慮不同過盈量條件下的插拔力，仿真得到不同高度、不同過盈量條件下的插拔力關系如表6所示。

圖6 不同高度DOG HOUSE與卡扣CAE模型

根據表3、表4與表6，可得在9～15 mm的DOG HOUSE高度范圍內，對插拔力的主要因素為卡扣與DOG HOUSE的過盈量；只有在5～9 mm的DOG HOUSE高度范圍內，高度才成為影響插拔力不可忽略的因素。同時在此提醒設計者，不同的DOG HOUSE高度條件下，過盈量成為唯一考慮插拔力的設計因素是不明智的。

表6 不同高度、不同過盈量條件下的插拔力

同時根據表5所示，并結合經驗值，得到0.1～0.7 mm的過盈量為推薦設計過盈量。

4 結論

（1）利用UG與MARC建立卡扣與DOG?HOUSE仿真模型，并利用實驗治具進行實驗測量，得到了對比數據，得到了過盈量與插拔力之間的關系，實踐證明CAE與實驗結果吻合度高，能完全用于以后的設計中，為設計提供支持；

（2）通過實驗與仿真數據對比，得到了0.1～0.7 mm過盈量條件下，能夠滿足較好的插拔力要求。

（3）相關產品設計方法參數及CAE分析所用到的材料及軟件設置等相關資料可以為后續同類產品設計提供一定的參考意義。

［1］保羅R博登伯杰塑料卡扣連接技術［M］.馮連勛等，譯.北京：化學工業出版社，2004.

［2］Gaurav Suri，Anthony F Lascher.Evaluation metrics for the rating and optimization of snap-fits［J］.Research in Engineering De?sign，2000（12）：191-203.

［3］陳火紅，于軍泉，席源山.MSC.Marc/Mentat 2003基礎與應用實例［M］.北京：科學出版社，2004.

［4］馮超，孫丹丹，陳火紅.全新Marc實例教程與常見問題解析［M］.北京：中國水利水電出版社，2012.