关于卡扣设计的结构静强度的有限元分析

韩 玲

（霍尼韦尔环境自控产品（天津）有限公司，天津 300457）

0 引言

CAE是利用信息技术在诸如分析，仿真，设计，制造，诊断和修复等任务来支持工程师。它包括模拟，验证和产品及制造工具的优化。FEA是在CAE中使用的模拟技术，它使用数字技术，称为有限元法（FEM/有限元方法）。FEA被用在许多类型的问题分析，包括：机械系统结构，热传导，移动边界下的固相扩散和反应，流体力学，电磁学等。FEA任务包括三个阶段 （适用于大多数CAE任务）：前处理，分析解算，后处理。①前处理：定义要施加给它的有限元模型和环境因素；②分析解算：有限元模型的解决方案；③后处理：利用可视化工具得到的结果。

有限元分析的优势包括更高的精度，增强设计和更好地洞察关键的设计参数，虚拟原型设计，更少的硬件原型，更快、更便宜的设计周期，提高生产效率，并增加收入。

有限元分 析 软件：ANSYS 时 ，Pro/Mechanica，MSC/Nastran，COSMOS等。本文作者使用Pro/Mechanica进行卡扣设计的FEA分析。

1 卡扣配合设计的研究内容

对于卡扣配合设计的研究主要集中于讨论对应静态强度和疲劳寿命分析，在进行FEA分析的时候要从如下几个方面入手，后文将一一介绍，分析结果见图1。

图1 有限元分析结果图Fig.1 Result of finite element analysis

1.1 搭扣配合概述

在卡扣紧固中，两个零件通过一种与自身注塑成一体的互锁结构进行连接，在连接过程中一零件的突出部分（如钩、扣、球）暂时发生偏斜，从而与另一零件上的凹陷或底切结构向结合。主要的卡扣类型见图2。

图2 主要的卡扣设计类型Fig.2 The main type of card buckle

卡扣连接的主要优点：①不需要在装配有多余的部件，从而可以使成本降低；②卡扣连接装配迅速，可以很容易地实现自动化；③部件可以被设计用于永久固定或拆卸和重新组装；④对于外观需要美化的产品来说，卡扣可以提供隐藏的紧固位置。

1.2 材料特性

（1）卡扣配合的应用材料。卡扣的理想材料是热塑性塑料，是因为它拥有高柔软性和成本低廉的特性，并且容易注塑成复杂的几何体。适用材料拥有以下力学特性：线弹性，匀质，各向同性。不同材料的应力-应变曲线，见图3。

（2）应变曲线上的应力坐标定义。屈服强度：材料开始塑性变形的应力。极限强度：材料可以承受最大应力。断裂强度：在断裂点处的应力。对于大多数热塑性塑料，极限应力和屈服应力是一致的，线性部分是很小的。脆性材料没有屈服强度。

图3 不同材料的应力-应变曲线Fig.3 Translation errorStress-strain curves for different materials

（3）FEA 的 关键因子。

（4）模量见图4。模量是给定材料硬度的度量。它被定义为对应微小应变，应力与应变的变化率之比。初始模量 （杨氏模量）：对于给定的材料的应力-应变曲线的初始斜率。这在大多数材料物性表通常都有提供。正割模量：应力与应变曲线上的一个特定点的比值。对于特定的设计点它比初始模量更准确。

图4 杨氏模量Fig.4 Young's modulus

（5）参数。①泊松比。当0.33～0.45时，对于大多数常用热塑性材料；当0.35～0.39时，对于ABS材料（卡扣配合最常用的材料）；②摩擦系数。当0.2～0.7时，对于大多数常用热塑性材料；当0.4～0.6时对于ABS材料（卡扣配合最常用的材料）。

由物性表提供的信息是优先选择的。如果没有，材料的通常参数也可以使用。或者某些参数可以计算或用其他数据替代 （例如应变可以通过应力和弹性模量进行计算；拉伸模量通常可通过弯曲弹性模量来代替）。 ISO和ASTM是不同的测试标准，其中的数据是相似的。

1.3 搭扣配合设计要素

设计卡扣需要有三要素：尺寸，偏斜量，安装/拆卸力。给予其中任何两个元素，可以得到第三个元素。

设计目标：在规定的安装/拆卸力和偏斜量下，设计卡扣的尺寸以达到最小的质量，同时使应变小于许用应变。

1.3.1 尺寸

尺寸见图5及表1。

图5 尺寸图Fig.5 Dimensions drawing

表1 重要尺寸的设计及用途Tab.1 Design and use of key dimensions

（续表 1）

1.3.2 偏斜量

偏斜量通常与底切深度Y一致，这使得安装/拆卸力与悬臂的中性轴尽量接近，将作用于卡扣末端的旋转力矩降到最低，从而提高卡扣末端的强度。实际上，在安装/拆卸过程中卡扣和与其互锁的部件均发生偏斜，这使得所设计的偏斜量分布在两个部件上。通常与卡扣互锁部件的偏斜量很小以致忽略不计，否则的话，可绘制互锁部件的受力-偏斜量曲线，见图6，将此曲线的斜率作为参数来计算实际偏斜量。

图6 互锁件的实际偏斜量和曲线Fig.6 Translation errorActual deflection and curve of the interlock

1.3.3 安装/拆卸力

（1）力的关系：

其中：N—一般压力；f—摩擦力；μ—摩擦系数。

（2）安装力，见图 7。

力的水平分量是F_a（安装力），垂直分量是F_da

（3）拆卸力，见图 8。

对于非自锁可拆卸卡扣：力的水平分量是F_r（拆卸力），垂直分量是F_dr。

图7 安装力图示Fig.7 Installation force diagram

图8 拆卸力示意图Fig.8 Disassembly force diagram

对于自锁（可拆卸/不可拆卸）卡扣（见图9）：力的水平分量是F_r（拆卸力），垂直分量是0。

2 结束语

图9 自锁卡扣示意图Fig.9 Self-lock hook diagram

本文研究重点是塑料悬臂卡扣。结合工作实际情况，运用悬臂梁理论、塑料注射成型理论等，总结出常用的悬臂卡扣模型的特点，采用经典分析法研究悬臂卡扣各形状参数的相互关系及其悬臂卡扣的基本计算公式。通过Pro/E WILDFIRE 5.0软件的Mechanism模块进行有限元仿真，分析悬臂卡扣基本模型的应力及应变，探索减少应力的方法，提出一些悬臂卡扣优化设计措施。简化卡扣设计过程，增强卡扣的可靠性，缩短产品开发周期。并将所得结论在集团公司产品设计中心推广运用。

由于分析计算中都是使用简化模型，并以一定的假设为基础，故分析计算结果并非精确结果，但完全可以满足工程设计需求。