關(guān)于卡扣設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度的有限元分析

韓 玲

（霍尼韋爾環(huán)境自控產(chǎn)品（天津）有限公司，天津 300457）

0 引言

CAE是利用信息技術(shù)在諸如分析，仿真，設(shè)計(jì)，制造，診斷和修復(fù)等任務(wù)來支持工程師。它包括模擬，驗(yàn)證和產(chǎn)品及制造工具的優(yōu)化。FEA是在CAE中使用的模擬技術(shù)，它使用數(shù)字技術(shù)，稱為有限元法（FEM/有限元方法）。FEA被用在許多類型的問題分析，包括：機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，熱傳導(dǎo)，移動邊界下的固相擴(kuò)散和反應(yīng)，流體力學(xué)，電磁學(xué)等。FEA任務(wù)包括三個階段 （適用于大多數(shù)CAE任務(wù)）：前處理，分析解算，后處理。①前處理：定義要施加給它的有限元模型和環(huán)境因素；②分析解算：有限元模型的解決方案；③后處理：利用可視化工具得到的結(jié)果。

有限元分析的優(yōu)勢包括更高的精度，增強(qiáng)設(shè)計(jì)和更好地洞察關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)，虛擬原型設(shè)計(jì)，更少的硬件原型，更快、更便宜的設(shè)計(jì)周期，提高生產(chǎn)效率，并增加收入。

有限元分 析 軟件：ANSYS 時 ，Pro/Mechanica，MSC/Nastran，COSMOS等。本文作者使用Pro/Mechanica進(jìn)行卡扣設(shè)計(jì)的FEA分析。

1 卡扣配合設(shè)計(jì)的研究內(nèi)容

對于卡扣配合設(shè)計(jì)的研究主要集中于討論對應(yīng)靜態(tài)強(qiáng)度和疲勞壽命分析，在進(jìn)行FEA分析的時候要從如下幾個方面入手，后文將一一介紹，分析結(jié)果見圖1。

圖1 有限元分析結(jié)果圖Fig.1 Result of finite element analysis

1.1 搭扣配合概述

在卡扣緊固中，兩個零件通過一種與自身注塑成一體的互鎖結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，在連接過程中一零件的突出部分（如鉤、扣、球）暫時發(fā)生偏斜，從而與另一零件上的凹陷或底切結(jié)構(gòu)向結(jié)合。主要的卡扣類型見圖2。

圖2 主要的卡扣設(shè)計(jì)類型Fig.2 The main type of card buckle

卡扣連接的主要優(yōu)點(diǎn)：①不需要在裝配有多余的部件，從而可以使成本降低；②卡扣連接裝配迅速，可以很容易地實(shí)現(xiàn)自動化；③部件可以被設(shè)計(jì)用于永久固定或拆卸和重新組裝；④對于外觀需要美化的產(chǎn)品來說，卡扣可以提供隱藏的緊固位置。

1.2 材料特性

（1）卡扣配合的應(yīng)用材料。卡扣的理想材料是熱塑性塑料，是因?yàn)樗鼡碛懈呷彳浶院统杀镜土奶匦裕⑶胰菀鬃⑺艹蓮?fù)雜的幾何體。適用材料擁有以下力學(xué)特性：線彈性，勻質(zhì)，各向同性。不同材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，見圖3。

（2）應(yīng)變曲線上的應(yīng)力坐標(biāo)定義。屈服強(qiáng)度：材料開始塑性變形的應(yīng)力。極限強(qiáng)度：材料可以承受最大應(yīng)力。斷裂強(qiáng)度：在斷裂點(diǎn)處的應(yīng)力。對于大多數(shù)熱塑性塑料，極限應(yīng)力和屈服應(yīng)力是一致的，線性部分是很小的。脆性材料沒有屈服強(qiáng)度。

圖3 不同材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Translation errorStress-strain curves for different materials

（3）FEA 的 關(guān)鍵因子。

（4）模量見圖4。模量是給定材料硬度的度量。它被定義為對應(yīng)微小應(yīng)變，應(yīng)力與應(yīng)變的變化率之比。初始模量 （楊氏模量）：對于給定的材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的初始斜率。這在大多數(shù)材料物性表通常都有提供。正割模量：應(yīng)力與應(yīng)變曲線上的一個特定點(diǎn)的比值。對于特定的設(shè)計(jì)點(diǎn)它比初始模量更準(zhǔn)確。

圖4 楊氏模量Fig.4 Young's modulus

（5）參數(shù)。①泊松比。當(dāng)0.33～0.45時，對于大多數(shù)常用熱塑性材料；當(dāng)0.35～0.39時，對于ABS材料（卡扣配合最常用的材料）；②摩擦系數(shù)。當(dāng)0.2～0.7時，對于大多數(shù)常用熱塑性材料；當(dāng)0.4～0.6時對于ABS材料（卡扣配合最常用的材料）。

由物性表提供的信息是優(yōu)先選擇的。如果沒有，材料的通常參數(shù)也可以使用。或者某些參數(shù)可以計(jì)算或用其他數(shù)據(jù)替代 （例如應(yīng)變可以通過應(yīng)力和彈性模量進(jìn)行計(jì)算；拉伸模量通常可通過彎曲彈性模量來代替）。 ISO和ASTM是不同的測試標(biāo)準(zhǔn)，其中的數(shù)據(jù)是相似的。

1.3 搭扣配合設(shè)計(jì)要素

設(shè)計(jì)卡扣需要有三要素：尺寸，偏斜量，安裝/拆卸力。給予其中任何兩個元素，可以得到第三個元素。

設(shè)計(jì)目標(biāo)：在規(guī)定的安裝/拆卸力和偏斜量下，設(shè)計(jì)卡扣的尺寸以達(dá)到最小的質(zhì)量，同時使應(yīng)變小于許用應(yīng)變。

1.3.1 尺寸

尺寸見圖5及表1。

圖5 尺寸圖Fig.5 Dimensions drawing

表1 重要尺寸的設(shè)計(jì)及用途Tab.1 Design and use of key dimensions

（續(xù)表 1）

1.3.2 偏斜量

偏斜量通常與底切深度Y一致，這使得安裝/拆卸力與懸臂的中性軸盡量接近，將作用于卡扣末端的旋轉(zhuǎn)力矩降到最低，從而提高卡扣末端的強(qiáng)度。實(shí)際上，在安裝/拆卸過程中卡扣和與其互鎖的部件均發(fā)生偏斜，這使得所設(shè)計(jì)的偏斜量分布在兩個部件上。通常與卡扣互鎖部件的偏斜量很小以致忽略不計(jì)，否則的話，可繪制互鎖部件的受力-偏斜量曲線，見圖6，將此曲線的斜率作為參數(shù)來計(jì)算實(shí)際偏斜量。

圖6 互鎖件的實(shí)際偏斜量和曲線Fig.6 Translation errorActual deflection and curve of the interlock

1.3.3 安裝/拆卸力

（1）力的關(guān)系：

其中：N—一般壓力；f—摩擦力；μ—摩擦系數(shù)。

（2）安裝力，見圖 7。

力的水平分量是F_a（安裝力），垂直分量是F_da

（3）拆卸力，見圖 8。

對于非自鎖可拆卸卡扣：力的水平分量是F_r（拆卸力），垂直分量是F_dr。

圖7 安裝力圖示Fig.7 Installation force diagram

圖8 拆卸力示意圖Fig.8 Disassembly force diagram

對于自鎖（可拆卸/不可拆卸）卡扣（見圖9）：力的水平分量是F_r（拆卸力），垂直分量是0。

2 結(jié)束語

圖9 自鎖卡扣示意圖Fig.9 Self-lock hook diagram

本文研究重點(diǎn)是塑料懸臂卡扣。結(jié)合工作實(shí)際情況，運(yùn)用懸臂梁理論、塑料注射成型理論等，總結(jié)出常用的懸臂卡扣模型的特點(diǎn)，采用經(jīng)典分析法研究懸臂卡扣各形狀參數(shù)的相互關(guān)系及其懸臂卡扣的基本計(jì)算公式。通過Pro/E WILDFIRE 5.0軟件的Mechanism模塊進(jìn)行有限元仿真，分析懸臂卡扣基本模型的應(yīng)力及應(yīng)變，探索減少應(yīng)力的方法，提出一些懸臂卡扣優(yōu)化設(shè)計(jì)措施。簡化卡扣設(shè)計(jì)過程，增強(qiáng)卡扣的可靠性，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。并將所得結(jié)論在集團(tuán)公司產(chǎn)品設(shè)計(jì)中心推廣運(yùn)用。

由于分析計(jì)算中都是使用簡化模型，并以一定的假設(shè)為基礎(chǔ)，故分析計(jì)算結(jié)果并非精確結(jié)果，但完全可以滿足工程設(shè)計(jì)需求。