范 濤

（沈陽名華模塑科技有限公司，遼寧 沈陽 110141）

前言

隨著汽車行業(yè)的高速發(fā)展，汽車輕量化、安全性、制造成本及可持續(xù)性成為各主機廠追求的重要目標，其中塑料件以重量輕、制造成本低、性能優(yōu)異等優(yōu)點被廣泛應用于汽車生產(chǎn)制造。但塑料件也存在自身局限性，如剛性差，熱膨脹系數(shù)及收縮率大，抗老化性差等，不能用于承受大承載力或作為受力結構件[1]?？圩鳛樗芰霞B接的重要方式在產(chǎn)品設計中得到廣泛應用，卡扣連接主要依靠裝配和拆卸過程中彈性變形實現(xiàn)連接和分離[2]。

CAE技術的不斷發(fā)展，打破了之前只能先靠經(jīng)驗積累進行產(chǎn)品設計，然后方案驗證，最后再優(yōu)化設計的模式，實現(xiàn)了產(chǎn)品設計開發(fā)、方案驗證的并行模式，大幅減少設計驗證時間，降低開發(fā)成本。

本文以汽車CAM蓋板與CAM支架為例，其中汽車CAM支架內(nèi)安裝后攝像頭，CAM蓋板與CAM支架依靠卡扣結構安裝于后保，由于涉及車輛功能要求，因此在整車生命周期中不能出現(xiàn)晃動、脫落等功能失效問題，技術要求分離力≥45N，二者裝配結構如圖1所示。選用UG NASTRAN求解器計算汽車CAM蓋板與CAM支架拆卸分離過程中卡扣最大應力、最大應變及分離力并與實驗結果對比，驗證有限元分析的可靠性和準確性，并對結構優(yōu)化方案模擬計算及實驗驗證。

圖1 CAM蓋板及支架裝配圖

1 UG在汽車CAM蓋板卡扣有限元分析中的應用

1.1 有限元前處理

1.1.1 確定問題分析類型

由于CAM蓋板與CAM支架分離過程中，實際是CAM蓋板卡扣與CAM支架接觸并發(fā)生變形的過程，拆卸分離力的大小是由卡扣與支架接觸面相互作用的接觸力確定的，隨著分離過程的進行，卡扣接觸面的接觸邊界非線性變化，因此該分析問題為接觸非線性靜態(tài)大位移力學分析問題[3,4]。選用UG NASTRAN中SOL601,106高級非線性解算方案。

1.1.2 模型理想化

首先將CAD模型導入到求解器中，并對CAD模型進行理想化，刪除不必要特征（如倒角、小孔等）以免造成分析時間增加和計算結果偏差。由于CAM支架模型造型復雜，因此只保留CAM支架與CAM蓋板卡扣裝配接觸結構。

1.1.3 單元格劃分

單元劃分采用四面體網(wǎng)格，CAM蓋板單元大小為3mm，共4346個，CAM支架單元大小為2mm，共3335個。

1.1.4 材料屬性定義

CAM蓋板及CAM支架材料為PP-EPDM-T20，密度為1.05g/cm3，彈性模量為2000Mpa，泊松比0.4，屈服強度為31Mpa，屈服應變5%，極限應變30%。

1.1.5 邊界條件定義

定義CAM支架為目標體，CAM蓋板為接觸體，二者在CAM 蓋板卡扣處的接觸區(qū)域為面接觸，面接觸摩擦系數(shù)為0.05。CAM支架固定約束，CAM蓋板施加位移載荷：沿卡扣卡接面法線方向移動5mm（分離），時間為1s。有限元模型如下圖2所示。

圖2 有限元模型

1.2 求解器計算結果

經(jīng)求解器計算，結果顯示最大應力出現(xiàn)在卡扣根部區(qū)域，最大應力為31.96MPa，最大應變?yōu)?.54%，如圖3、4所示。CAM蓋板與CAM支架分離過程分離力變化如下圖5所示，最大分離力為29.55N。材料屈服強度為31MPa，雖然最大應力超出材料屈服強度范圍，但由于最大應力區(qū)域很小，同時最大應變?yōu)?.54%，小于材料屈服應變5%，綜上分析，CAM蓋板在與CAM支架分離過程中，卡扣根部區(qū)域易達到屈服狀態(tài)但未破壞斷裂，因此為保證卡扣結構強度，卡扣安裝后不能反復安裝拆卸。

根據(jù)最大應力云圖3及最大應變云圖4發(fā)現(xiàn)，卡扣2根部所受應力和應變都大于卡扣1，這是由于卡扣2梁寬度明顯小于卡扣 1，因此在后續(xù)設計優(yōu)化中，應盡量增加卡扣 2梁寬度，保證其結構強度。

圖3 卡扣最大應力云圖

圖4 卡扣最大應變云圖

圖5 卡扣分離力變化曲線

隨著CAM蓋板與CAM支架分離過程的進行，兩個零件逐漸分離，懸臂卡扣產(chǎn)生彈性變形，卡扣根切配合深度逐漸變小，保持面角度逐漸減小，分離力先增大，然后達到峰值，最后變小，分離力計算結果符合該過程實際變化情況。

1.3 實驗結果與有限元分析結果對比

基于有限元分析的邊界條件設置，結合 CAM 蓋板與CAM 支架安裝固定方式測量二者拆卸分離力，使用電子推拉力計測量5個產(chǎn)品，記錄拆卸峰值拉力，結果如表1所示，實驗最大分離力27.3N，有限元分析最大分離力29.33N，相對誤差7.4%，有限元分析與實際結果相符合，但不滿足技術要求規(guī)定的≥45N要求。

表1 分離力實驗結果

2 基于原CAM蓋板卡扣模型結構優(yōu)化的有限元分析與實驗結果對比

原CAM蓋板卡扣根切深度為1.2mm，保持面角度為75°，梁厚度為2mm，如圖6所示。由于卡扣的根切深度、保持面角度和梁厚度結構因素直接影響分離力的大小[5]，為滿足CAM蓋板與CAM支架的拆卸分離力≥45N的技術要求，因此對CAM蓋板卡扣結構進行優(yōu)化，分別對根切深度、保持面角度及梁厚度三個參數(shù)進行設計優(yōu)化，并對其進行模擬計算，具體方案見下表2。

圖6 卡扣結構示意圖

表2 CAM蓋板卡扣結構優(yōu)化方案

基于原有限元模型邊界條件、加載條件及求解方案，重新導入優(yōu)化后的CAM蓋板模型，三種優(yōu)化方案有限元分析結果如下：

圖7 方案1卡扣最大應力及最大應變分布分布圖

優(yōu)化方案1：CAM蓋板卡扣根切深度由1.2mm增加到2.2mm，其他參數(shù)不變。有限元分析結果如圖7所示，卡扣最大應力為36.17MPa，最大應變?yōu)?.75%。

優(yōu)化方案 2：CAM 蓋板卡扣保持面角度由 75°增加到80°，其他參數(shù)不變。有限元分析顯示卡扣最大應力為28.95MPa，最大應變?yōu)?.39%，如圖8所示。

圖8 方案2卡扣最大應力及最大應變分布圖

圖9 方案3卡扣最大應力及最大應變分布圖

優(yōu)化方案3：CAM蓋板卡扣梁寬度由2mm增加3mm，其他參數(shù)不變。有限元分析顯示卡扣最大應力為39.23MPa，最大應變?yōu)?.92%，如圖9所示。

三種方案卡扣分離力如圖10所示，方案1、方案2及方案3最大分離力分別為49.16N、36.09N及40.76N，均大于原方案最大分離力29.55N，且方案1滿足技術要求≥45N。

圖10 各優(yōu)化方案分離力變化

基于以上結果分析，對比三種優(yōu)化方案可知，方案1增加卡扣根切深度，分離力增加最大，但卡扣所受最大應力和應變也隨之增大，尤其在根部及彎曲面上所受應力和應變都要比其他兩種方案大，這是由于卡扣根切深度增加導致卡扣脫出過程中彎曲變形量增大所導致。方案2中卡扣所受應力與應變均最小，表明保持面角度增加5°對卡扣脫出過程影響不大，主要由于原方案保持面角度設計已經(jīng)較大，保持面角度為75°，非常接近90°最大值（保持面角度為90°認為卡扣是不可拆卸結構）。方案3中最大應力和最大應變在三種方案中雖然為最大，但是最大應力和最大應變區(qū)域很小，且卡扣彎曲變形區(qū)域應力和應變分布值在三種方案中最小，這主要是卡扣梁厚度增加相應提高了卡扣抗彎曲能力，相對變形減小。綜上分析，方案1為最優(yōu)方案選擇。

實際產(chǎn)品按照方案1對卡扣根切深度優(yōu)化，實驗結果顯示最大分離力為47.9N，如圖11所示，相對誤差2.6%，分離力滿足技術要求，有限元分析與實際測量結果一致。

圖11 優(yōu)化后卡扣實驗分離力

3 結論

1）通過UG NASTRAN求解器對接觸非線性問題進行有限元計算，分析了卡扣在分離過程中最大應力、最大應變位置分布及分離力的變化情況，結合材料屬性可以準確判斷結構設計風險，規(guī)避設計缺陷。

2）本文通過對CAM蓋板與CAM支架分離過程的有限元分析與實驗結果對比發(fā)現(xiàn)，二者相對誤差為7.4%，卡扣結構優(yōu)化后的分離力有限元分析結果與實驗結果對比，二者相對誤差2.6%，說明此類問題通過有限元方法可以準確計算，為后續(xù)類似問題解決提供重要參考意義。

3）通過對CAM蓋板卡扣根切深度、保持面角度和梁厚度有限元分析，得到各參數(shù)變化對應力、應變和分離力的影響，最終確定最優(yōu)方案，具有一定理論指導意義。