獨立零件之間的連接結(jié)構(gòu)的CAE分析

重慶三峽職業(yè)學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械與車輛工程系 蔡 彧

重慶三峽職業(yè)學(xué)院農(nóng)林科技系 譚雪梅

重慶恒達(dá)金屬材料有限公司 黃 熙

重慶長征重工有限公司 李沛海

卡扣是簡單、快速和經(jīng)濟(jì)的連接技術(shù)，主要通過裝配中的彈性變形和到位后的復(fù)原變形實現(xiàn)部件的連接，可以完成部件的多次分離和連接而不對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。由于塑料材料的柔韌性和注塑可行性，大多數(shù)卡扣采用塑料材料制造，其中懸臂類掛鉤是卡扣設(shè)計的典型方式。

Ansys軟件是仿真平臺，同時具有可以與其他的CAD系統(tǒng)如UG、Pro/E等進(jìn)行雙向數(shù)模交換。Ansys使得CAE分析快捷、高效。本文介紹基于Ansys的懸臂類掛鉤裝配分析。

由于懸臂類掛鉤連接方式的簡單、快捷和經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點，所以許多的產(chǎn)品中采用，主要通過裝配中的彈性變形和復(fù)位變形實現(xiàn)零件之間的連接。但在實踐的過程中我們發(fā)現(xiàn)：裝配過程中掛鉤容易發(fā)生斷裂，最終造成連接失敗。

例如車輛在行駛過程發(fā)生異響造成顧客投訴，維修人員的檢查車輛的時候發(fā)現(xiàn)汽車儀表的透明體掛鉤在使用過程中發(fā)生斷裂，然后造成裝配不牢。為提高產(chǎn)品強(qiáng)度，工程技術(shù)人員利用Ansys軟件分析掛鉤結(jié)構(gòu)，希望尋找出合理方案提高掛鉤強(qiáng)度。

一、實物分析

1.塑料件分析

卡扣為儀表可視面零件（透明體）與載體零件（下殼）之間的連接結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)故障的零件為透明體零件的一部分。由于零件為外觀件，所以采用的材料為POM。零件的外觀部分由圓弧面與二維斜面組合而成（具體可見圖1）

2.故障現(xiàn)象

圖1為產(chǎn)品實例。透明體和下殼采用掛鉤方式連接（透明體材料為，下殼為PP）。

為保證裝配要求將掛鉤重新設(shè)計，結(jié)合懸臂梁等理論完善產(chǎn)品。結(jié)合材料特性和相關(guān)理論將掛鉤尺寸進(jìn)行改進(jìn)。

二、ANSYS軟件分析

為保證掛鉤同時達(dá)到掛接作用和結(jié)構(gòu)完整、疲勞降低等要求。同時結(jié)合懸臂梁的經(jīng)典理論設(shè)計出如下掛鉤。為驗證設(shè)計的合理性，在ANSYS上驗證設(shè)計方案。

驗證改進(jìn)方案如下：

1.計算理論

我們按照現(xiàn)有的掛鉤形狀（見圖2）可給出如下尺寸：掛鉤寬帶（B）1Omm，長度（L）12.4mm，厚度（H）1.5mm，透明體掛鉤材料為POM，材料彈性模量(E)36OOMPa，摩擦系數(shù)O.3。

根據(jù)理論公式，掛鉤在裝配過程中的最大應(yīng)變在離掛鉤中心軸最遠(yuǎn)和離掛鉤臂最大偏斜點最遠(yuǎn)的表面，所以計算如下：

掛鉤根部最大裝配應(yīng)變：

圖1

圖2

圖3

圖4

圖5

2.建立模型

在ANSYS上建立模型一般有兩種方法，第一種在ANSYS上直接建模，第二種在UG中建立3D模型后再將其導(dǎo)入ANSYS中。但是ANSYS的建模能力不強(qiáng)，所以本次采用了第二種方法建模。利用ANSYS的直接導(dǎo)入命令將3D圖導(dǎo)入軟件中。

3.材料屬性的設(shè)置和相關(guān)的網(wǎng)格劃分

在實體單元選擇方面才用的一般原則：①對曲面形狀較復(fù)雜的模型，最好采用有中節(jié)點的SOLID95(六面體)單元，因為其單元對于曲面的擬合性更好，但同時多了12個中節(jié)點，使單元的求解量大大增加；②對于一些對曲面本身不是特別關(guān)注的分析，采用沒有中節(jié)點的SOLID45單元就可以滿足要求；③Tet9是角錐體單元，適用于形狀較為簡單的零件該類型的單元對自由網(wǎng)格劃分的支持最好，但是由于角錐體單元較小，往往會產(chǎn)生大量的網(wǎng)格數(shù)，計算量很大，而且自由網(wǎng)格劃分本身的計算精度也不是很高。

根據(jù)以上的原則同時結(jié)合ANSYS軟件的相關(guān)命令進(jìn)行設(shè)置，其中材料彈性模量為2E11，泊松比為O.2。同時設(shè)置好剛度特性和分析類型。完成以上步驟后再進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

完成的網(wǎng)格劃分如圖3。

4.約束條件和載荷加載后

約束條件和載荷加載后完成圖4。

5.求解得出結(jié)果

從圖5中可以看出設(shè)計的新掛鉤形式可以達(dá)到應(yīng)用要求。