首頁(yè) > 新聞資訊 內(nèi)容大綱：
- 概述
- 卡扣仿真分析的難點(diǎn)
- 卡扣插入力仿真的分析方法
- 傳統(tǒng)靜力學(xué)分析
- 帶約束方程的靜力學(xué)分析
- 具有非線性穩(wěn)定性的靜力學(xué)分析
- 低速動(dòng)力學(xué)分析
- 卡扣拔出力仿真的分析方法
- 傳統(tǒng)靜力學(xué)分析
- 顯式動(dòng)力學(xué)分析
- 結(jié)論
概述
卡扣是一種簡(jiǎn)單、快速且具有成本效益的方法，可以組裝兩個(gè)零件，尤其是塑料零件?？叟浜咸峁┝硕啻谓M裝和拆卸的靈活性，而不會(huì)對(duì)組裝產(chǎn)生任何不利影響。然而，這需要該連接元件的適當(dāng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)手冊(cè)通常提供良好的設(shè)計(jì)程序，但隨著設(shè)計(jì)變得越來(lái)越復(fù)雜，用有限元分析模擬卡扣插拔過(guò)程成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。本文針對(duì)卡扣與卡槽配合面的不同幾何形狀，通過(guò)采用Ansys workbench不同的仿真分析方法，有效的解決了卡扣插拔力仿真分析的問(wèn)題。
塑料卡扣的結(jié)構(gòu)
卡扣仿真分析的難點(diǎn)
- 卡扣是一種簡(jiǎn)單、快速且具有成本效益的方法，可以組裝兩個(gè)零件，尤其是塑料零件?？叟浜咸峁┝硕啻谓M裝和拆卸的靈活性，而不會(huì)對(duì)組裝產(chǎn)生任何不利影響。然而，這需要該連接元件的適當(dāng)設(shè)計(jì)。
- 設(shè)計(jì)手冊(cè)通常提供良好的設(shè)計(jì)流程，但隨著設(shè)計(jì)變得越來(lái)越復(fù)雜，有限元分析正成為模擬這些特征的一種有效方法。
- 做卡扣插拔力仿真分析時(shí)時(shí)面臨的一些主要難點(diǎn)是：
- 非線性摩擦接觸
- 最大偏轉(zhuǎn)后的不穩(wěn)定相位
- 材料非線性
- 大變形非線性
- 在下一節(jié)中，在解決上述挑戰(zhàn)的同時(shí)，對(duì)卡扣分析進(jìn)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 傳統(tǒng)的靜力學(xué)分析
方法1：傳統(tǒng)的靜力學(xué)分析
- 傳統(tǒng)的靜力學(xué)分析設(shè)置包括具有大變形效應(yīng)的非線性接觸的定義。用戶可以選擇包括材料非線性。
- 任何卡扣插入過(guò)程都有兩個(gè)階段：
- 母端張開(kāi)。
- 公端在空腔或凹陷中咬合。
- 第 1 階段很容易設(shè)置和分析，因?yàn)閱?wèn)題已經(jīng)準(zhǔn)備好了并且沒(méi)有不穩(wěn)定性。
- 在許多情況下，階段 2 會(huì)產(chǎn)生收斂問(wèn)題，特別是對(duì)于圖 3所示的情況。在這種情況下，不是逐漸傾斜的倒角，而是深度的突然變化，導(dǎo)致存儲(chǔ)的應(yīng)變能突然釋放。
- 技巧和竅門：
- 如果會(huì)合部分具有逐漸傾斜的坡度，則可以使用這種方法。
- 零件之間使用正確的摩擦系數(shù)，使運(yùn)動(dòng)有一定的阻力，不會(huì)突然運(yùn)動(dòng)。
- 在移動(dòng)部件上使用位移控制加載而不是力加載。
- 使用代表兩個(gè)階段的兩個(gè)載荷步。第1階段更容易收斂，因此可以定義更大的子步驟。然而，需要為階段 2 載荷步定義大量子步。
- 從線彈性材料開(kāi)始。然而，如果應(yīng)力進(jìn)入塑性或非線性區(qū)域，那么選擇非線性模型將有助于收斂。
方法1：?jiǎn)栴}描述
- 目標(biāo)：對(duì)零件進(jìn)行卡扣模擬模擬，如下圖所示。
- 需要考慮的要點(diǎn)：
- 會(huì)合部分具有漸變斜率，因此在這種情況下可以使用傳統(tǒng)的靜力學(xué)分析。
- 由于坡度逐漸增大，拉出試驗(yàn)?zāi)M也得到了解決。
- 位移控制裝載用于展開(kāi)和拉出箱。
- 考慮線性材料。
- 零件之間采用摩擦接觸。
方法1：模型建立
方法1：分析結(jié)果
卡扣插入力仿真的分析方法2 帶約束方程的靜力學(xué)分析
方法2：帶約束方程的靜力學(xué)分析
- 之前的的方法1主要適用于在下降側(cè)有倒角的情況，但是當(dāng)沒(méi)有這種傾斜坡度時(shí)，在階段 1 和階段 2 的開(kāi)始階段會(huì)有一段非常低的剛度，這會(huì)導(dǎo)致收斂問(wèn)題。
- 非線性接觸也會(huì)導(dǎo)致收斂困難。這通常發(fā)生在兩個(gè)接合部件的材料非常堅(jiān)硬，因此部件之間的接觸力非常高導(dǎo)致收斂困難問(wèn)題時(shí)。這種情況可以使用約束方程來(lái)處理。
- 技巧和竅門：
1.卡扣配合過(guò)程是一個(gè)很好的例子，其中在 x 方向的位移量（圖 6）和在“Y”方向發(fā)生的“推”量之間存在定義的關(guān)系。
2.如果已知這種關(guān)系，則可以使用“約束方程”。這將有助于解決由此引起的滑動(dòng)接觸和收斂問(wèn)題。
3.優(yōu)點(diǎn)：這可以預(yù)測(cè)零件中的正確應(yīng)力分布。
4.缺點(diǎn)：如果插入力分布是感興趣的，那么這將給出不正確的結(jié)果，因?yàn)闆](méi)有考慮摩擦接觸效應(yīng)。
方法2：?jiǎn)栴}描述
- 目標(biāo)：使用方法 2 對(duì)零件進(jìn)行卡扣插入模擬，如下圖所示。
- 需要考慮的要點(diǎn)：
- 會(huì)合部分沒(méi)有傾斜坡度，因此在這種情況下不能使用傳統(tǒng)的靜力學(xué)分析。
- 在這種情況下使用約束方程方法。
- 使用位移控制加載。
- 考慮線性材料。
- 零件之間采用摩擦接觸。
方法2：模型建立
- 定義了三個(gè)遠(yuǎn)程點(diǎn)，然后使用約束方程將它們連接起來(lái)，以模擬卡扣插入彎曲的過(guò)程。
- 約束方程：
- 該模型在代表卡扣插入過(guò)程的兩個(gè)階段的兩個(gè)載荷步中求解。在第二步中，使用命令片段刪除約束方程以表示第二階段的“插入”現(xiàn)象。
方法2：分析結(jié)果
卡扣插入力仿真的分析方法3 具有非線性穩(wěn)定性的靜力學(xué)分析
方法3：具有非線性穩(wěn)定性的靜力學(xué)分析
- 卡扣插入過(guò)程的第 2 階段可能具有不穩(wěn)定性，尤其是當(dāng)下降側(cè)沒(méi)有過(guò)渡圓角時(shí)。解決這種不穩(wěn)定性的另一種方法是使用“非線性穩(wěn)定”功能。
- ANSYS 中的非線性穩(wěn)定可以被認(rèn)為是向系統(tǒng)中的所有節(jié)點(diǎn)添加人工阻尼器。
- 在臨界載荷之前，系統(tǒng)在給定的時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)可能具有低位移——這可以被認(rèn)為是低偽速度，因此來(lái)自人工阻尼器的阻力較小。
- 當(dāng)發(fā)生不穩(wěn)定性時(shí)，在較小的時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)會(huì)發(fā)生較大的位移，從而產(chǎn)生較大的偽速度和較大的阻力。因此，極限點(diǎn)處的剛度矩陣不是奇異的。
- 路徑 OACD 是可追溯的。?
- 技巧和竅門：
- 非線性穩(wěn)定適用于以下情況：
- 下降側(cè)沒(méi)有傾斜坡度的卡扣。
- 需要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)插入力分布。
- 能量法（Energy）是此類情況的首選。
- 在移動(dòng)部件上使用位移控制加載而不是力加載。
- 使用代表兩個(gè)階段的兩個(gè)載荷步。第1階段更容易收斂，因此可以定義更大的子步驟。然而，需要為階段 2 載荷步定義大量子步。
- 僅在第二步中定義非線性穩(wěn)定。
- 從“能量耗散比”(EDR) 的默認(rèn)值開(kāi)始，并以 10 倍的系數(shù)逐漸增加。
- 使用手動(dòng)重啟控制在每個(gè)載荷步結(jié)束時(shí)保存重啟點(diǎn)。這將有助于在第一步（階段 1）結(jié)束時(shí)使用不同的 EDR 值重新開(kāi)始分析，從而節(jié)省時(shí)間。
- 檢查穩(wěn)定能與應(yīng)變能，以確保它是它的一小部分。
方法3：?jiǎn)栴}描述
- 目標(biāo)：使用方法 3 對(duì)零件進(jìn)行卡扣模擬仿真，如下圖所示。
- 需要考慮的要點(diǎn)：
- 會(huì)合部分沒(méi)有傾斜坡度，因此在這種情況下不能使用傳統(tǒng)的靜力學(xué)分析。
- 在這種情況下使用非線性穩(wěn)定方法。
- 使用位移控制加載。
- 考慮線性材料。
- 零件之間采用摩擦接觸。
方法3：模型建立
方法3：分析設(shè)置
- 非線性穩(wěn)定在第二步中被激活，如下圖所示：
方法3：分析結(jié)果
卡扣插入力仿真的分析方法4 低速動(dòng)力學(xué)分析
方法4：低速動(dòng)力學(xué)分析
- 將卡扣插入過(guò)程作為動(dòng)態(tài)分析解決有助于克服過(guò)程階段的不穩(wěn)定性。因此結(jié)構(gòu)響應(yīng)可以在最大彎曲點(diǎn)之后求解，因?yàn)閼T性項(xiàng)的包含不再使矩陣奇異。
- 技巧和竅門
- 當(dāng)非線性穩(wěn)定方法導(dǎo)致高穩(wěn)定能量/力時(shí)，通常選擇此選項(xiàng)。
- 使用代表兩個(gè)階段的兩個(gè)載荷步。第1階段更容易收斂，因此可以定義更大的子步驟。然而，需要為階段 2 載荷步定義大量子步。
- 在第1步中關(guān)閉“時(shí)間積分”。這有助于將分析作為第1步的靜力學(xué)分析求解，從而更快地求解。開(kāi)啟第2步。
- 定義全局阻尼比并進(jìn)行迭代，這有助于獲得解決方案。
- 然而，有時(shí)默認(rèn)的慢動(dòng)力學(xué)程序有時(shí)可能需要非常高的阻尼，以便將結(jié)果與導(dǎo)致錯(cuò)誤結(jié)果的非常大的突然位移收斂。
- 因此，為了克服這個(gè)問(wèn)題，阻尼器只能應(yīng)用在發(fā)生較大位移的表面上，從而僅在小面積上產(chǎn)生阻力。
方法4：?jiǎn)栴}描述
- 目標(biāo)：使用方法 4 對(duì)零件進(jìn)行卡扣插入仿真，如下圖所示。
- 需要考慮的要點(diǎn)：
- 會(huì)合部分沒(méi)有傾斜坡度，因此在這種情況下不能使用傳統(tǒng)的靜力學(xué)分析。
- 在這種情況下使用非線性穩(wěn)定方法。
- 使用位移控制加載。
- 考慮線性材料。
- 零件之間采用摩擦接觸。
方法4：模型建立
方法4：分析結(jié)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 傳統(tǒng)靜力學(xué)分析
方法1：傳統(tǒng)靜力學(xué)分析
- 對(duì)于空腔內(nèi)側(cè)有傾斜坡度的情況，可以采用傳統(tǒng)的靜力分析來(lái)模擬拉拔試驗(yàn)時(shí)。技巧和竅門與卡扣插入仿真相同。然而，對(duì)于空腔內(nèi)側(cè)沒(méi)有傾斜坡度的情況，靜態(tài)模擬會(huì)給收斂帶來(lái)很多問(wèn)題。
卡扣拔出力仿真的分析方法2 顯式動(dòng)力學(xué)分析
方法2：顯式動(dòng)力學(xué)分析
- 顯式動(dòng)力學(xué)設(shè)置可以克服在傳統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)置期間通常遇到的大多數(shù)收斂問(wèn)題，包括接觸和極端扭曲。
- 技巧和竅門：
- 使用位移控制加載。
- 使用質(zhì)量縮放 [1] 來(lái)加快求解時(shí)間，但要跟蹤系統(tǒng)中的動(dòng)能，因?yàn)槟繕?biāo)是模擬準(zhǔn)靜態(tài)現(xiàn)象，因此慣性效應(yīng)應(yīng)該最小。
- 與系統(tǒng)的內(nèi)能相比，動(dòng)能應(yīng)該很小。
- 時(shí)間縮放 [2] 也可以與質(zhì)量縮放結(jié)合使用以獲得最佳性能。
- 使用帶有沙漏控制的四邊形或六邊形單元是可能的，因?yàn)樗鼈兲峁┝俗疃痰那蠼鈺r(shí)間。但是，如果沙漏太嚴(yán)重，則切換到三角形或四邊形單元。
[1] 質(zhì)量縮放是一個(gè)自動(dòng)化程序，其中代碼通過(guò)增加控制時(shí)間步長(zhǎng)的特定元素的密度來(lái)增加時(shí)間步長(zhǎng)。用戶指定最小時(shí)間步長(zhǎng)，并且那些時(shí)間步長(zhǎng)小于該值的元素的密度增加到時(shí)間步長(zhǎng)等于該值的點(diǎn)。[2] 時(shí)間縮放是一種通過(guò)減少模擬結(jié)束時(shí)間來(lái)加速準(zhǔn)靜態(tài)模擬的方法，還可以調(diào)整施加的位移或力加載，使其產(chǎn)生最小的加速度。由于結(jié)束時(shí)間減少，仿真求解速度更快。這也可以與大規(guī)?？s放一起使用以獲得最佳性能。
方法2：?jiǎn)栴}描述
- 目標(biāo)：模擬卡扣零件的拔出試驗(yàn)。
- 需要考慮的要點(diǎn)：
- 使用位移控制加載。
- 考慮線性材料。
- 零件之間采用摩擦接觸。
- 為了顯示顯式動(dòng)力學(xué)在這種情況下的適用性，使用傳統(tǒng)的靜力學(xué)分析和顯式動(dòng)力學(xué)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。
方法2：模型建立
方法2：分析設(shè)置
方法2：分析結(jié)果
結(jié)論
- 傳統(tǒng)的靜力學(xué)分析適用于有傾斜坡度卡扣的插拔仿真分析，其模型簡(jiǎn)單，求解速度快。
- 帶約束方程的靜力學(xué)分析和具有非線性穩(wěn)定性的靜力學(xué)分析適用于有/沒(méi)有傾斜坡度卡扣的插拔仿真分析，其模型復(fù)雜程度和求解速均一般。
- 低速動(dòng)力學(xué)分析和顯式動(dòng)力學(xué)分析適用于有/沒(méi)有傾斜坡度卡扣的插拔仿真分析，其模型較復(fù)雜，求解速度較慢。
- 塑料卡扣看似結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，但要精確的仿真其插拔過(guò)程很不容易。這里只探討了卡口配合面傾斜坡度對(duì)卡口插拔仿真分析的影響。另外，設(shè)計(jì)和仿真分析卡扣時(shí)，卡口的其他很多因素也會(huì)影響卡扣的插拔仿真分析結(jié)果（如：卡扣材料、截面形狀、卡扣長(zhǎng)度、卡槽寬度、倒角大小、表面粗糙度等諸多因素都會(huì)對(duì)卡孔變形、應(yīng)力、插拔力、接觸力等結(jié)果產(chǎn)生影響）。
