内容大纲：

• 概述
• 卡扣仿真分析的难点
• 卡扣插入力仿真的分析方法

1. 传统静力学分析
2. 带约束方程的静力学分析
3. 具有非线性稳定性的静力学分析
4. 低速动力学分析

• 卡扣拔出力仿真的分析方法

1. 传统静力学分析
2. 显式动力学分析

• 结论

概述

卡扣是一种简单、快速且具有成本效益的方法，可以组装两个零件，尤其是塑料零件。卡扣配合提供了多次组装和拆卸的灵活性，而不会对组装产生任何不利影响。然而，这需要该连接元件的适当设计。设计手册通常提供良好的设计程序，但随着设计变得越来越复杂，用有限元分析模拟卡扣插拔过程成为未来发展趋势。本文针对卡扣与卡槽配合面的不同几何形状，通过采用Ansys workbench不同的仿真分析方法，有效的解决了卡扣插拔力仿真分析的问题。

塑料卡扣的结构

卡扣仿真分析的难点

• 卡扣是一种简单、快速且具有成本效益的方法，可以组装两个零件，尤其是塑料零件。卡扣配合提供了多次组装和拆卸的灵活性，而不会对组装产生任何不利影响。然而，这需要该连接元件的适当设计。
• 设计手册通常提供良好的设计流程，但随着设计变得越来越复杂，有限元分析正成为模拟这些特征的一种有效方法。
• 做卡扣插拔力仿真分析时时面临的一些主要难点是：

1. 非线性摩擦接触
2. 最大偏转后的不稳定相位
3. 材料非线性
4. 大变形非线性

• 在下一节中，在解决上述挑战的同时，对卡扣分析进行建模的不同方法。
  

卡扣插拔仿真

卡扣插入力仿真的分析方法1 传统的静力学分析

方法1：传统的静力学分析

• 传统的静力学分析设置包括具有大变形效应的非线性接触的定义。用户可以选择包括材料非线性。
• 任何卡扣插入过程都有两个阶段：

1. 母端张开。
2. 公端在空腔或凹陷中咬合。

• 第 1 阶段很容易设置和分析，因为问题已经准备好了并且没有不稳定性。
• 在许多情况下，阶段 2 会产生收敛问题，特别是对于图 3所示的情况。在这种情况下，不是逐渐倾斜的倒角，而是深度的突然变化，导致存储的应变能突然释放。
• 技巧和窍门：
• 如果会合部分具有逐渐倾斜的坡度，则可以使用这种方法。
• 零件之间使用正确的摩擦系数，使运动有一定的阻力，不会突然运动。
• 在移动部件上使用位移控制加载而不是力加载。
• 使用代表两个阶段的两个载荷步。第1阶段更容易收敛，因此可以定义更大的子步骤。然而，需要为阶段 2 载荷步定义大量子步。
• 从线弹性材料开始。然而，如果应力进入塑性或非线性区域，那么选择非线性模型将有助于收敛。

方法1：问题描述

• 目标：对零件进行卡扣模拟模拟，如下图所示。

• 需要考虑的要点：

1. 会合部分具有渐变斜率，因此在这种情况下可以使用传统的静力学分析。
2. 由于坡度逐渐增大，拉出试验模拟也得到了解决。
3. 位移控制装载用于展开和拉出箱。
4. 考虑线性材料。
5. 零件之间采用摩擦接触。

方法1：模型建立

方法1：分析结果

卡扣插入力仿真的分析方法2 带约束方程的静力学分析

方法2：带约束方程的静力学分析

• 之前的的方法1主要适用于在下降侧有倒角的情况，但是当没有这种倾斜坡度时，在阶段 1 和阶段 2 的开始阶段会有一段非常低的刚度，这会导致收敛问题。
• 非线性接触也会导致收敛困难。这通常发生在两个接合部件的材料非常坚硬，因此部件之间的接触力非常高导致收敛困难问题时。这种情况可以使用约束方程来处理。

• 技巧和窍门：

1.卡扣配合过程是一个很好的例子，其中在 x 方向的位移量（图 6）和在“Y”方向发生的“推”量之间存在定义的关系。

2.如果已知这种关系，则可以使用“约束方程”。这将有助于解决由此引起的滑动接触和收敛问题。

3.优点：这可以预测零件中的正确应力分布。

4.缺点：如果插入力分布是感兴趣的，那么这将给出不正确的结果，因为没有考虑摩擦接触效应。

方法2：问题描述

• 目标：使用方法 2 对零件进行卡扣插入模拟，如下图所示。

• 需要考虑的要点：

1. 会合部分没有倾斜坡度，因此在这种情况下不能使用传统的静力学分析。
2. 在这种情况下使用约束方程方法。
3. 使用位移控制加载。
4. 考虑线性材料。
5. 零件之间采用摩擦接触。

方法2：模型建立

• 定义了三个远程点，然后使用约束方程将它们连接起来，以模拟卡扣插入弯曲的过程。

• 约束方程：

• 该模型在代表卡扣插入过程的两个阶段的两个载荷步中求解。在第二步中，使用命令片段删除约束方程以表示第二阶段的“插入”现象。

方法2：分析结果

卡扣插入力仿真的分析方法3 具有非线性稳定性的静力学分析

方法3：具有非线性稳定性的静力学分析

• 卡扣插入过程的第 2 阶段可能具有不稳定性，尤其是当下降侧没有过渡圆角时。解决这种不稳定性的另一种方法是使用“非线性稳定”功能。
• ANSYS 中的非线性稳定可以被认为是向系统中的所有节点添加人工阻尼器。
• 在临界载荷之前，系统在给定的时间步长内可能具有低位移——这可以被认为是低伪速度，因此来自人工阻尼器的阻力较小。
• 当发生不稳定性时，在较小的时间步长内会发生较大的位移，从而产生较大的伪速度和较大的阻力。因此，极限点处的刚度矩阵不是奇异的。
• 路径 OACD 是可追溯的。 
  

• 技巧和窍门：
• 非线性稳定适用于以下情况：
• 下降侧没有倾斜坡度的卡扣。
• 需要准确预测插入力分布。
• 能量法（Energy）是此类情况的首选。
• 在移动部件上使用位移控制加载而不是力加载。
• 使用代表两个阶段的两个载荷步。第1阶段更容易收敛，因此可以定义更大的子步骤。然而，需要为阶段 2 载荷步定义大量子步。
• 仅在第二步中定义非线性稳定。
• 从“能量耗散比”(EDR) 的默认值开始，并以 10 倍的系数逐渐增加。
• 使用手动重启控制在每个载荷步结束时保存重启点。这将有助于在第一步（阶段 1）结束时使用不同的 EDR 值重新开始分析，从而节省时间。
• 检查稳定能与应变能，以确保它是它的一小部分。

方法3：问题描述

• 目标：使用方法 3 对零件进行卡扣模拟仿真，如下图所示。

• 需要考虑的要点：

1. 会合部分没有倾斜坡度，因此在这种情况下不能使用传统的静力学分析。
2. 在这种情况下使用非线性稳定方法。
3. 使用位移控制加载。
4. 考虑线性材料。
5. 零件之间采用摩擦接触。

方法3：模型建立

方法3：分析设置

• 非线性稳定在第二步中被激活，如下图所示：

方法3：分析结果

卡扣插入力仿真的分析方法4 低速动力学分析

方法4：低速动力学分析

• 将卡扣插入过程作为动态分析解决有助于克服过程阶段的不稳定性。因此结构响应可以在最大弯曲点之后求解，因为惯性项的包含不再使矩阵奇异。
• 技巧和窍门
• 当非线性稳定方法导致高稳定能量/力时，通常选择此选项。
• 使用代表两个阶段的两个载荷步。第1阶段更容易收敛，因此可以定义更大的子步骤。然而，需要为阶段 2 载荷步定义大量子步。
• 在第1步中关闭“时间积分”。这有助于将分析作为第1步的静力学分析求解，从而更快地求解。开启第2步。
• 定义全局阻尼比并进行迭代，这有助于获得解决方案。
• 然而，有时默认的慢动力学程序有时可能需要非常高的阻尼，以便将结果与导致错误结果的非常大的突然位移收敛。
• 因此，为了克服这个问题，阻尼器只能应用在发生较大位移的表面上，从而仅在小面积上产生阻力。

方法4：问题描述

• 目标：使用方法 4 对零件进行卡扣插入仿真，如下图所示。

• 需要考虑的要点：

1. 会合部分没有倾斜坡度，因此在这种情况下不能使用传统的静力学分析。
2. 在这种情况下使用非线性稳定方法。
3. 使用位移控制加载。
4. 考虑线性材料。
5. 零件之间采用摩擦接触。

方法4：模型建立

方法4：分析结果

卡扣拔出力仿真的分析方法

卡扣拔出力仿真的分析方法1 传统静力学分析

方法1：传统静力学分析

• 对于空腔内侧有倾斜坡度的情况，可以采用传统的静力分析来模拟拉拔试验时。技巧和窍门与卡扣插入仿真相同。然而，对于空腔内侧没有倾斜坡度的情况，静态模拟会给收敛带来很多问题。

卡扣拔出力仿真的分析方法2 显式动力学分析

方法2：显式动力学分析

• 显式动力学设置可以克服在传统静态结构设置期间通常遇到的大多数收敛问题，包括接触和极端扭曲。
• 技巧和窍门：
• 使用位移控制加载。
• 使用质量缩放 [1] 来加快求解时间，但要跟踪系统中的动能，因为目标是模拟准静态现象，因此惯性效应应该最小。
• 与系统的内能相比，动能应该很小。
• 时间缩放 [2] 也可以与质量缩放结合使用以获得最佳性能。
• 使用带有沙漏控制的四边形或六边形单元是可能的，因为它们提供了最短的求解时间。但是，如果沙漏太严重，则切换到三角形或四边形单元。

[1] 质量缩放是一个自动化程序，其中代码通过增加控制时间步长的特定元素的密度来增加时间步长。用户指定最小时间步长，并且那些时间步长小于该值的元素的密度增加到时间步长等于该值的点。[2] 时间缩放是一种通过减少模拟结束时间来加速准静态模拟的方法，还可以调整施加的位移或力加载，使其产生最小的加速度。由于结束时间减少，仿真求解速度更快。这也可以与大规模缩放一起使用以获得最佳性能。

方法2：问题描述

• 目标：模拟卡扣零件的拔出试验。
• 需要考虑的要点：
• 使用位移控制加载。
• 考虑线性材料。
• 零件之间采用摩擦接触。
• 为了显示显式动力学在这种情况下的适用性，使用传统的静力学分析和显式动力学来解决这个问题。

方法2：模型建立

方法2：分析设置

方法2：分析结果

结论

• 传统的静力学分析适用于有倾斜坡度卡扣的插拔仿真分析，其模型简单，求解速度快。
• 带约束方程的静力学分析和具有非线性稳定性的静力学分析适用于有/没有倾斜坡度卡扣的插拔仿真分析，其模型复杂程度和求解速均一般。
• 低速动力学分析和显式动力学分析适用于有/没有倾斜坡度卡扣的插拔仿真分析，其模型较复杂，求解速度较慢。
• 塑料卡扣看似结构非常简单，但要精确的仿真其插拔过程很不容易。这里只探讨了卡口配合面倾斜坡度对卡口插拔仿真分析的影响。另外，设计和仿真分析卡扣时，卡口的其他很多因素也会影响卡扣的插拔仿真分析结果（如：卡扣材料、截面形状、卡扣长度、卡槽宽度、倒角大小、表面粗糙度等诸多因素都会对卡孔变形、应力、插拔力、接触力等结果产生影响）。