首頁 > 新聞資訊 內容大綱：
- 概述
- 卡扣仿真分析的難點
- 卡扣插入力仿真的分析方法
- 傳統靜力學分析
- 帶約束方程的靜力學分析
- 具有非線性穩定性的靜力學分析
- 低速動力學分析
- 卡扣拔出力仿真的分析方法
- 傳統靜力學分析
- 顯式動力學分析
- 結論
概述
卡扣是一種簡單、快速且具有成本效益的方法，可以組裝兩個零件，尤其是塑料零件。卡扣配合提供了多次組裝和拆卸的靈活性，而不會對組裝產生任何不利影響。然而，這需要該連接元件的適當設計。設計手冊通常提供良好的設計程序，但隨著設計變得越來越復雜，用有限元分析模擬卡扣插拔過程成為未來發展趨勢。本文針對卡扣與卡槽配合面的不同幾何形狀，通過采用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題。
塑料卡扣的結構
卡扣仿真分析的難點
- 卡扣是一種簡單、快速且具有成本效益的方法，可以組裝兩個零件，尤其是塑料零件。卡扣配合提供了多次組裝和拆卸的靈活性，而不會對組裝產生任何不利影響。然而，這需要該連接元件的適當設計。
- 設計手冊通常提供良好的設計流程，但隨著設計變得越來越復雜，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時面臨的一些主要難點是：
- 非線性摩擦接觸
- 最大偏轉后的不穩定相位
- 材料非線性
- 大變形非線性
- 在下一節中，在解決上述挑戰的同時，對卡扣分析進行建模的不同方法。
卡扣插拔仿真
卡扣插入力仿真的分析方法1 傳統的靜力學分析
方法1：傳統的靜力學分析
- 傳統的靜力學分析設置包括具有大變形效應的非線性接觸的定義。用戶可以選擇包括材料非線性。
- 任何卡扣插入過程都有兩個階段：
- 母端張開。
- 公端在空腔或凹陷中咬合。
- 第 1 階段很容易設置和分析，因為問題已經準備好了并且沒有不穩定性。
- 在許多情況下，階段 2 會產生收斂問題，特別是對于圖 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，導致存儲的應變能突然釋放。
- 技巧和竅門：
- 如果會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，使運動有一定的阻力，不會突然運動。
- 在移動部件上使用位移控制加載而不是力加載。
- 使用代表兩個階段的兩個載荷步。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。
- 從線彈性材料開始。然而，如果應力進入塑性或非線性區域，那么選擇非線性模型將有助于收斂。
方法1：問題描述
- 目標：對零件進行卡扣模擬模擬，如下圖所示。
- 需要考慮的要點：
- 會合部分具有漸變斜率，因此在這種情況下可以使用傳統的靜力學分析。
- 由于坡度逐漸增大，拉出試驗模擬也得到了解決。
- 位移控制裝載用于展開和拉出箱。
- 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：分析結果
卡扣插入力仿真的分析方法2 帶約束方程的靜力學分析
方法2：帶約束方程的靜力學分析
- 之前的的方法1主要適用于在下降側有倒角的情況，但是當沒有這種傾斜坡度時，在階段 1 和階段 2 的開始階段會有一段非常低的剛度，這會導致收斂問題。
- 非線性接觸也會導致收斂困難。這通常發生在兩個接合部件的材料非常堅硬，因此部件之間的接觸力非常高導致收斂困難問題時。這種情況可以使用約束方程來處理。
- 技巧和竅門：
1.卡扣配合過程是一個很好的例子，其中在 x 方向的位移量（圖 6）和在“Y”方向發生的“推”量之間存在定義的關系。
2.如果已知這種關系，則可以使用“約束方程”。這將有助于解決由此引起的滑動接觸和收斂問題。
3.優點：這可以預測零件中的正確應力分布。
4.缺點：如果插入力分布是感興趣的，那么這將給出不正確的結果，因為沒有考慮摩擦接觸效應。
方法2：問題描述
- 目標：使用方法 2 對零件進行卡扣插入模擬，如下圖所示。
- 需要考慮的要點：
- 會合部分沒有傾斜坡度，因此在這種情況下不能使用傳統的靜力學分析。
- 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
- 定義了三個遠程點，然后使用約束方程將它們連接起來，以模擬卡扣插入彎曲的過程。
- 約束方程：
- 該模型在代表卡扣插入過程的兩個階段的兩個載荷步中求解。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”現象。
方法2：分析結果
卡扣插入力仿真的分析方法3 具有非線性穩定性的靜力學分析
方法3：具有非線性穩定性的靜力學分析
- 卡扣插入過程的第 2 階段可能具有不穩定性，尤其是當下降側沒有過渡圓角時。解決這種不穩定性的另一種方法是使用“非線性穩定”功能。
- ANSYS 中的非線性穩定可以被認為是向系統中的所有節點添加人工阻尼器。
- 在臨界載荷之前，系統在給定的時間步長內可能具有低位移——這可以被認為是低偽速度，因此來自人工阻尼器的阻力較小。
- 當發生不穩定性時，在較小的時間步長內會發生較大的位移，從而產生較大的偽速度和較大的阻力。因此，極限點處的剛度矩陣不是奇異的。
- 路徑 OACD 是可追溯的。?
- 技巧和竅門：
- 非線性穩定適用于以下情況：
- 下降側沒有傾斜坡度的卡扣。
- 需要準確預測插入力分布。
- 能量法（Energy）是此類情況的首選。
- 在移動部件上使用位移控制加載而不是力加載。
- 使用代表兩個階段的兩個載荷步。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定。
- 從“能量耗散比”(EDR) 的默認值開始，并以 10 倍的系數逐漸增加。
- 使用手動重啟控制在每個載荷步結束時保存重啟點。這將有助于在第一步（階段 1）結束時使用不同的 EDR 值重新開始分析，從而節省時間。
- 檢查穩定能與應變能，以確保它是它的一小部分。
方法3：問題描述
- 目標：使用方法 3 對零件進行卡扣模擬仿真，如下圖所示。
- 需要考慮的要點：
- 會合部分沒有傾斜坡度，因此在這種情況下不能使用傳統的靜力學分析。
- 在這種情況下使用非線性穩定方法。
- 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：分析設置
- 非線性穩定在第二步中被激活，如下圖所示：
方法3：分析結果
卡扣插入力仿真的分析方法4 低速動力學分析
方法4：低速動力學分析
- 將卡扣插入過程作為動態分析解決有助于克服過程階段的不穩定性。因此結構響應可以在最大彎曲點之后求解，因為慣性項的包含不再使矩陣奇異。
- 技巧和竅門
- 當非線性穩定方法導致高穩定能量/力時，通常選擇此選項。
- 使用代表兩個階段的兩個載荷步。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步中關閉“時間積分”。這有助于將分析作為第1步的靜力學分析求解，從而更快地求解。開啟第2步。
- 定義全局阻尼比并進行迭代，這有助于獲得解決方案。
- 然而，有時默認的慢動力學程序有時可能需要非常高的阻尼，以便將結果與導致錯誤結果的非常大的突然位移收斂。
- 因此，為了克服這個問題，阻尼器只能應用在發生較大位移的表面上，從而僅在小面積上產生阻力。
方法4：問題描述
- 目標：使用方法 4 對零件進行卡扣插入仿真，如下圖所示。
- 需要考慮的要點：
- 會合部分沒有傾斜坡度，因此在這種情況下不能使用傳統的靜力學分析。
- 在這種情況下使用非線性穩定方法。
- 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 傳統靜力學分析
方法1：傳統靜力學分析
- 對于空腔內側有傾斜坡度的情況，可以采用傳統的靜力分析來模擬拉拔試驗時。技巧和竅門與卡扣插入仿真相同。然而，對于空腔內側沒有傾斜坡度的情況，靜態模擬會給收斂帶來很多問題。
卡扣拔出力仿真的分析方法2 顯式動力學分析
方法2：顯式動力學分析
- 顯式動力學設置可以克服在傳統靜態結構設置期間通常遇到的大多數收斂問題，包括接觸和極端扭曲。
- 技巧和竅門：
- 使用位移控制加載。
- 使用質量縮放 [1] 來加快求解時間，但要跟蹤系統中的動能，因為目標是模擬準靜態現象，因此慣性效應應該最小。
- 與系統的內能相比，動能應該很小。
- 時間縮放 [2] 也可以與質量縮放結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，因為它們提供了最短的求解時間。但是，如果沙漏太嚴重，則切換到三角形或四邊形單元。
[1] 質量縮放是一個自動化程序，其中代碼通過增加控制時間步長的特定元素的密度來增加時間步長。用戶指定最小時間步長，并且那些時間步長小于該值的元素的密度增加到時間步長等于該值的點。[2] 時間縮放是一種通過減少模擬結束時間來加速準靜態模擬的方法，還可以調整施加的位移或力加載，使其產生最小的加速度。由于結束時間減少，仿真求解速度更快。這也可以與大規模縮放一起使用以獲得最佳性能。
方法2：問題描述
- 目標：模擬卡扣零件的拔出試驗。
- 需要考慮的要點：
- 使用位移控制加載。
- 考慮線性材料。
- 零件之間采用摩擦接觸。
- 為了顯示顯式動力學在這種情況下的適用性，使用傳統的靜力學分析和顯式動力學來解決這個問題。
方法2：模型建立
方法2：分析設置
方法2：分析結果
結論
- 傳統的靜力學分析適用于有傾斜坡度卡扣的插拔仿真分析，其模型簡單，求解速度快。
- 帶約束方程的靜力學分析和具有非線性穩定性的靜力學分析適用于有/沒有傾斜坡度卡扣的插拔仿真分析，其模型復雜程度和求解速均一般。
- 低速動力學分析和顯式動力學分析適用于有/沒有傾斜坡度卡扣的插拔仿真分析，其模型較復雜，求解速度較慢。
- 塑料卡扣看似結構非常簡單，但要精確的仿真其插拔過程很不容易。這里只探討了卡口配合面傾斜坡度對卡口插拔仿真分析的影響。另外，設計和仿真分析卡扣時，卡口的其他很多因素也會影響卡扣的插拔仿真分析結果（如：卡扣材料、截面形狀、卡扣長度、卡槽寬度、倒角大小、表面粗糙度等諸多因素都會對卡孔變形、應力、插拔力、接觸力等結果產生影響）。
