基于注塑—结构联合仿真的开关开裂分析

刘国承++胡光良

摘 要：本文利用Moldflow、Helius、Abaqus三款软件对某开关外壳卡扣开裂进行联合仿真分析，并与传统的采用Abaqus单纯进行机械强度分析做对比，分析两种方法的结果差异，找出卡扣开裂原因，并对结构进行优化，优化结果满足使用要求。

关键词：开关；开裂；联合仿真

中图分类号：TQ320.6 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）05-0047-02

1 前言

汽车中各种控制开关均为塑料件，而开关各零件间基本是靠卡扣连接，卡扣的强度直接关乎开关整体的功能和寿命。某开关卡扣在装配过程中出现开裂现象，本文通过单纯从机械强度角度，不考虑注塑因素影响，采用Abaqus对卡扣强度进行分析，和采用Moldflow、Helius、Abaqus三款软件进行联合仿真分析两种方法。对比分析结果差异并查找开裂原因，进行结构优化，使优化结果满足使用要求[1]。

2 问题描述与分析

按钮组件结构及开裂图片如图1-2所示。按钮装配过程中，按钮底座卡扣会将外壳撑开，此时若外壳卡扣位置强度不足会出现开裂现象，初步分析可能由于卡扣卡接量设计过大外壳被撑裂，或外壳注塑过程中卡扣区域熔接痕分布不合理所致[2]。

3 联合仿真简介

联合仿真即改变传统仿真模式，传统仿真中模具设计采用Moldflow进行模流分析，结构设计采用Abaqus进行结构强度、刚度分析。而联合仿真是将Moldflow分析结果中纤维取向、残余应变、熔接痕等数据映射到相应的结构网格中，映射方法是以等效材料赋予结构网格中的每个单元，使每个单元具有单独的材料属性，以实现材料的各项不同性。流程如图3所示。

4 模型建立

（1）Moldflow分析模型建立。模型采用3D网格划分，网格数量462314；外壳材料为PP GF30，浇口位置、材料参数曲线如图4所示；模具表面温度40度，熔体温度230度，注射时间1.2s；运行填充、保压、翘曲分析。

（2）Abaqus分析模型建立。模型采用二阶四面体（C3D10M）网格划分，外壳网格数量82314，底座网格数量30150；外壳材料为PP GF30，弹性模量5050MPa、强度极限115MPa，底座材料PA6 GF30，弹性模量10000MPa、强度极限135MPa约束按钮外壳上端面全部自由度，耦合按钮底座下端面并施加强制位移，卡扣间做接触，模拟装配过程。有限元模型及边界条件图5所示。

5 分析结果

5.1 单纯机械强度分析结果

卡扣应力分布图6所示，结果显示，不考虑注塑因素，单纯进行机械强度分析，卡扣断裂处应力为80MPa，并未达到材料的轻度极限值115MPa，无法准确得出卡扣开裂原因，还需进一步排查可能因素。

5.2 进行联合仿真分析

（1）Moldflow所得熔接痕结果和映射到结构网格后的结果。由图7可知，在外壳开裂的附近区域存在熔接痕，且此熔接痕正好位于卡扣中心位置，此区域为装配时的高应变区，所以基本可以确定是熔接痕导致外壳开裂。图8可以看到，左图Moldflow熔接痕结果准确的映射到右图的Abaqus模型中（inp文件），且此时在熔接痕位置的网格材料属性会进行相应的弱化，弱化结果由Helius软件自行完成。

（2）Abaqus强度计算结果。图9所示由联合仿真结果可得到卡扣断裂位置最大应力为146MPa，应力值较单纯机械强度结果应力值提高83.8%，远超过材料的强度极限115MPa，且更加贴近实物状态。由此可以判定，外壳卡扣的斷裂是由于熔接痕所致。因此需对熔接痕位置进行优化，最终得到合格结果[3]。

6 结构优化

（1）优化方案。在考虑修模成本的前提下，经过评估，最终采用单浇口注塑设计，方案如图10所示。图11显示，优化后所有卡扣熔接线均被分配到卡扣边缘，此种分配方式能有效避开卡扣中部大应变区域，且为处理卡扣熔接痕的最佳方案。

（2）优化后强度分析结果。由图12可得优化后卡扣应力降低为90MPa，应力值较原始结构联合仿真结果降低了32%，效果明显，且应力小于材料强度极限115MPa，结果满足强度要求，所以优化方案有效。

7 结语

经过增加简单的一步Moldflow结果映射，联合仿真分析法较传统方法可准确判断开裂原因，并可在设计初期准确排查开裂风险，可缩短产品、模具设计周期，减少修模次数和模具报废率，做到事半功倍。因此可有效降低成本，提高产品质量。

参考文献

[1]江丙云，孔祥宏，罗元元.ABAQUS工程实例详解[M].北京：人民邮电出版社，2014.

[2]曹金凤，石亦平.ABAQUS有限元分析常见问题解[M].北京：机械工业出版社，2009.

[3]单岩，王蓓，王刚.Moldflow模具分析技术基础[M].北京：清华大学出版社，2004.