關于卡扣設計的結構靜強度的有限元分析

韓 玲

（霍尼韋爾環境自控產品（天津）有限公司，天津 300457）

0 引言

CAE是利用信息技術在諸如分析，仿真，設計，制造，診斷和修復等任務來支持工程師。它包括模擬，驗證和產品及制造工具的優化。FEA是在CAE中使用的模擬技術，它使用數字技術，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：機械系統結構，熱傳導，移動邊界下的固相擴散和反應，流體力學，電磁學等。FEA任務包括三個階段 （適用于大多數CAE任務）：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果。

有限元分析的優勢包括更高的精度，增強設計和更好地洞察關鍵的設計參數，虛擬原型設計，更少的硬件原型，更快、更便宜的設計周期，提高生產效率，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進行卡扣設計的FEA分析。

1 卡扣配合設計的研究內容

對于卡扣配合設計的研究主要集中于討論對應靜態強度和疲勞壽命分析，在進行FEA分析的時候要從如下幾個方面入手，后文將一一介紹，分析結果見圖1。

圖1 有限元分析結果圖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構進行連接，在連接過程中一零件的突出部分（如鉤、扣、球）暫時發生偏斜，從而與另一零件上的凹陷或底切結構向結合。主要的卡扣類型見圖2。

圖2 主要的卡扣設計類型Fig.2 The main type of card buckle

卡扣連接的主要優點：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，可以很容易地實現自動化；③部件可以被設計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）卡扣配合的應用材料。卡扣的理想材料是熱塑性塑料，是因為它擁有高柔軟性和成本低廉的特性，并且容易注塑成復雜的幾何體。適用材料擁有以下力學特性：線彈性，勻質，各向同性。不同材料的應力-應變曲線，見圖3。

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

圖3 不同材料的應力-應變曲線Fig.3 Translation errorStress-strain curves for different materials

（3）FEA 的 關鍵因子。

（4）模量見圖4。模量是給定材料硬度的度量。它被定義為對應微小應變，應力與應變的變化率之比。初始模量 （楊氏模量）：對于給定的材料的應力-應變曲線的初始斜率。這在大多數材料物性表通常都有提供。正割模量：應力與應變曲線上的一個特定點的比值。對于特定的設計點它比初始模量更準確。

圖4 楊氏模量Fig.4 Young's modulus

（5）參數。①泊松比。當0.33～0.45時，對于大多數常用熱塑性材料；當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。當0.2～0.7時，對于大多數常用熱塑性材料；當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先選擇的。如果沒有，材料的通常參數也可以使用。或者某些參數可以計算或用其他數據替代 （例如應變可以通過應力和彈性模量進行計算；拉伸模量通常可通過彎曲彈性模量來代替）。 ISO和ASTM是不同的測試標準，其中的數據是相似的。

1.3 搭扣配合設計要素

設計卡扣需要有三要素：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。

設計目標：在規定的安裝/拆卸力和偏斜量下，設計卡扣的尺寸以達到最小的質量，同時使應變小于許用應變。

1.3.1 尺寸

尺寸見圖5及表1。

圖5 尺寸圖Fig.5 Dimensions drawing

表1 重要尺寸的設計及用途Tab.1 Design and use of key dimensions

（續表 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力矩降到最低，從而提高卡扣末端的強度。實際上，在安裝/拆卸過程中卡扣和與其互鎖的部件均發生偏斜，這使得所設計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，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來計算實際偏斜量。

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

1.3.3 安裝/拆卸力

（1）力的關系：

其中：N—一般壓力；f—摩擦力；μ—摩擦系數。

（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 結束語

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

本文研究重點是塑料懸臂卡扣。結合工作實際情況，運用懸臂梁理論、塑料注射成型理論等，總結出常用的懸臂卡扣模型的特點，采用經典分析法研究懸臂卡扣各形狀參數的相互關系及其懸臂卡扣的基本計算公式。通過Pro/E WILDFIRE 5.0軟件的Mechanism模塊進行有限元仿真，分析懸臂卡扣基本模型的應力及應變，探索減少應力的方法，提出一些懸臂卡扣優化設計措施。簡化卡扣設計過程，增強卡扣的可靠性，縮短產品開發周期。并將所得結論在集團公司產品設計中心推廣運用。

由于分析計算中都是使用簡化模型，并以一定的假設為基礎，故分析計算結果并非精確結果，但完全可以滿足工程設計需求。