基于注塑—結構聯合仿真的開關開裂分析

劉國承++胡光良

摘 要：本文利用Moldflow、Helius、Abaqus三款軟件對某開關外殼卡扣開裂進行聯合仿真分析，并與傳統的采用Abaqus單純進行機械強度分析做對比，分析兩種方法的結果差異，找出卡扣開裂原因，并對結構進行優化，優化結果滿足使用要求。

關鍵詞：開關；開裂；聯合仿真

中圖分類號：TQ320.6 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）05-0047-02

1 前言

汽車中各種控制開關均為塑料件，而開關各零件間基本是靠卡扣連接，卡扣的強度直接關乎開關整體的功能和壽命。某開關卡扣在裝配過程中出現開裂現象，本文通過單純從機械強度角度，不考慮注塑因素影響，采用Abaqus對卡扣強度進行分析，和采用Moldflow、Helius、Abaqus三款軟件進行聯合仿真分析兩種方法。對比分析結果差異并查找開裂原因，進行結構優化，使優化結果滿足使用要求[1]。

2 問題描述與分析

按鈕組件結構及開裂圖片如圖1-2所示。按鈕裝配過程中，按鈕底座卡扣會將外殼撐開，此時若外殼卡扣位置強度不足會出現開裂現象，初步分析可能由于卡扣卡接量設計過大外殼被撐裂，或外殼注塑過程中卡扣區域熔接痕分布不合理所致[2]。

3 聯合仿真簡介

聯合仿真即改變傳統仿真模式，傳統仿真中模具設計采用Moldflow進行模流分析，結構設計采用Abaqus進行結構強度、剛度分析。而聯合仿真是將Moldflow分析結果中纖維取向、殘余應變、熔接痕等數據映射到相應的結構網格中，映射方法是以等效材料賦予結構網格中的每個單元，使每個單元具有單獨的材料屬性，以實現材料的各項不同性。流程如圖3所示。

4 模型建立

（1）Moldflow分析模型建立。模型采用3D網格劃分，網格數量462314；外殼材料為PP GF30，澆口位置、材料參數曲線如圖4所示；模具表面溫度40度，熔體溫度230度，注射時間1.2s；運行填充、保壓、翹曲分析。

（2）Abaqus分析模型建立。模型采用二階四面體（C3D10M）網格劃分，外殼網格數量82314，底座網格數量30150；外殼材料為PP GF30，彈性模量5050MPa、強度極限115MPa，底座材料PA6 GF30，彈性模量10000MPa、強度極限135MPa約束按鈕外殼上端面全部自由度，耦合按鈕底座下端面并施加強制位移，卡扣間做接觸，模擬裝配過程。有限元模型及邊界條件圖5所示。

5 分析結果

5.1 單純機械強度分析結果

卡扣應力分布圖6所示，結果顯示，不考慮注塑因素，單純進行機械強度分析，卡扣斷裂處應力為80MPa，并未達到材料的輕度極限值115MPa，無法準確得出卡扣開裂原因，還需進一步排查可能因素。

5.2 進行聯合仿真分析

（1）Moldflow所得熔接痕結果和映射到結構網格后的結果。由圖7可知，在外殼開裂的附近區域存在熔接痕，且此熔接痕正好位于卡扣中心位置，此區域為裝配時的高應變區，所以基本可以確定是熔接痕導致外殼開裂。圖8可以看到，左圖Moldflow熔接痕結果準確的映射到右圖的Abaqus模型中（inp文件），且此時在熔接痕位置的網格材料屬性會進行相應的弱化，弱化結果由Helius軟件自行完成。

（2）Abaqus強度計算結果。圖9所示由聯合仿真結果可得到卡扣斷裂位置最大應力為146MPa，應力值較單純機械強度結果應力值提高83.8%，遠超過材料的強度極限115MPa，且更加貼近實物狀態。由此可以判定，外殼卡扣的斷裂是由于熔接痕所致。因此需對熔接痕位置進行優化，最終得到合格結果[3]。

6 結構優化

（1）優化方案。在考慮修模成本的前提下，經過評估，最終采用單澆口注塑設計，方案如圖10所示。圖11顯示，優化后所有卡扣熔接線均被分配到卡扣邊緣，此種分配方式能有效避開卡扣中部大應變區域，且為處理卡扣熔接痕的最佳方案。

（2）優化后強度分析結果。由圖12可得優化后卡扣應力降低為90MPa，應力值較原始結構聯合仿真結果降低了32%，效果明顯，且應力小于材料強度極限115MPa，結果滿足強度要求，所以優化方案有效。

7 結語

經過增加簡單的一步Moldflow結果映射，聯合仿真分析法較傳統方法可準確判斷開裂原因，并可在設計初期準確排查開裂風險，可縮短產品、模具設計周期，減少修模次數和模具報廢率，做到事半功倍。因此可有效降低成本，提高產品質量。

參考文獻

[1]江丙云，孔祥宏，羅元元.ABAQUS工程實例詳解[M].北京：人民郵電出版社，2014.

[2]曹金鳳，石亦平.ABAQUS有限元分析常見問題解[M].北京：機械工業出版社，2009.

[3]單巖，王蓓，王剛.Moldflow模具分析技術基礎[M].北京：清華大學出版社，2004.