汽車CAM蓋板卡扣有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

范 濤

（沈陽(yáng)名華模塑科技有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

前言

隨著汽車行業(yè)的高速發(fā)展，汽車輕量化、安全性、制造成本及可持續(xù)性成為各主機(jī)廠追求的重要目標(biāo)，其中塑料件以重量輕、制造成本低、性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于汽車生產(chǎn)制造。但塑料件也存在自身局限性，如剛性差，熱膨脹系數(shù)及收縮率大，抗老化性差等，不能用于承受大承載力或作為受力結(jié)構(gòu)件[1]。卡扣作為塑料件連接的重要方式在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用，卡扣連接主要依靠裝配和拆卸過程中彈性變形實(shí)現(xiàn)連接和分離[2]。

CAE技術(shù)的不斷發(fā)展，打破了之前只能先靠經(jīng)驗(yàn)積累進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，然后方案驗(yàn)證，最后再優(yōu)化設(shè)計(jì)的模式，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)、方案驗(yàn)證的并行模式，大幅減少設(shè)計(jì)驗(yàn)證時(shí)間，降低開發(fā)成本。

本文以汽車CAM蓋板與CAM支架為例，其中汽車CAM支架內(nèi)安裝后攝像頭，CAM蓋板與CAM支架依靠卡扣結(jié)構(gòu)安裝于后保，由于涉及車輛功能要求，因此在整車生命周期中不能出現(xiàn)晃動(dòng)、脫落等功能失效問題，技術(shù)要求分離力≥45N，二者裝配結(jié)構(gòu)如圖1所示。選用UG NASTRAN求解器計(jì)算汽車CAM蓋板與CAM支架拆卸分離過程中卡扣最大應(yīng)力、最大應(yīng)變及分離力并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證有限元分析的可靠性和準(zhǔn)確性，并對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案模擬計(jì)算及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖1 CAM蓋板及支架裝配圖

1 UG在汽車CAM蓋板卡扣有限元分析中的應(yīng)用

1.1 有限元前處理

1.1.1 確定問題分析類型

由于CAM蓋板與CAM支架分離過程中，實(shí)際是CAM蓋板卡扣與CAM支架接觸并發(fā)生變形的過程，拆卸分離力的大小是由卡扣與支架接觸面相互作用的接觸力確定的，隨著分離過程的進(jìn)行，卡扣接觸面的接觸邊界非線性變化，因此該分析問題為接觸非線性靜態(tài)大位移力學(xué)分析問題[3,4]。選用UG NASTRAN中SOL601,106高級(jí)非線性解算方案。

1.1.2 模型理想化

首先將CAD模型導(dǎo)入到求解器中，并對(duì)CAD模型進(jìn)行理想化，刪除不必要特征（如倒角、小孔等）以免造成分析時(shí)間增加和計(jì)算結(jié)果偏差。由于CAM支架模型造型復(fù)雜，因此只保留CAM支架與CAM蓋板卡扣裝配接觸結(jié)構(gòu)。

1.1.3 單元格劃分

單元?jiǎng)澐植捎盟拿骟w網(wǎng)格，CAM蓋板單元大小為3mm，共4346個(gè)，CAM支架單元大小為2mm，共3335個(gè)。

1.1.4 材料屬性定義

CAM蓋板及CAM支架材料為PP-EPDM-T20，密度為1.05g/cm3，彈性模量為2000Mpa，泊松比0.4，屈服強(qiáng)度為31Mpa，屈服應(yīng)變5%，極限應(yīng)變30%。

1.1.5 邊界條件定義

定義CAM支架為目標(biāo)體，CAM蓋板為接觸體，二者在CAM 蓋板卡扣處的接觸區(qū)域?yàn)槊娼佑|，面接觸摩擦系數(shù)為0.05。CAM支架固定約束，CAM蓋板施加位移載荷：沿卡扣卡接面法線方向移動(dòng)5mm（分離），時(shí)間為1s。有限元模型如下圖2所示。

圖2 有限元模型

1.2 求解器計(jì)算結(jié)果

經(jīng)求解器計(jì)算，結(jié)果顯示最大應(yīng)力出現(xiàn)在卡扣根部區(qū)域，最大應(yīng)力為31.96MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.54%，如圖3、4所示。CAM蓋板與CAM支架分離過程分離力變化如下圖5所示，最大分離力為29.55N。材料屈服強(qiáng)度為31MPa，雖然最大應(yīng)力超出材料屈服強(qiáng)度范圍，但由于最大應(yīng)力區(qū)域很小，同時(shí)最大應(yīng)變?yōu)?.54%，小于材料屈服應(yīng)變5%，綜上分析，CAM蓋板在與CAM支架分離過程中，卡扣根部區(qū)域易達(dá)到屈服狀態(tài)但未破壞斷裂，因此為保證卡扣結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，卡扣安裝后不能反復(fù)安裝拆卸。

根據(jù)最大應(yīng)力云圖3及最大應(yīng)變?cè)茍D4發(fā)現(xiàn)，卡扣2根部所受應(yīng)力和應(yīng)變都大于卡扣1，這是由于卡扣2梁寬度明顯小于卡扣 1，因此在后續(xù)設(shè)計(jì)優(yōu)化中，應(yīng)盡量增加卡扣 2梁寬度，保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖3 卡扣最大應(yīng)力云圖

圖4 卡扣最大應(yīng)變?cè)茍D

圖5 卡扣分離力變化曲線

隨著CAM蓋板與CAM支架分離過程的進(jìn)行，兩個(gè)零件逐漸分離，懸臂卡扣產(chǎn)生彈性變形，卡扣根切配合深度逐漸變小，保持面角度逐漸減小，分離力先增大，然后達(dá)到峰值，最后變小，分離力計(jì)算結(jié)果符合該過程實(shí)際變化情況。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果對(duì)比

基于有限元分析的邊界條件設(shè)置，結(jié)合 CAM 蓋板與CAM 支架安裝固定方式測(cè)量二者拆卸分離力，使用電子推拉力計(jì)測(cè)量5個(gè)產(chǎn)品，記錄拆卸峰值拉力，結(jié)果如表1所示，實(shí)驗(yàn)最大分離力27.3N，有限元分析最大分離力29.33N，相對(duì)誤差7.4%，有限元分析與實(shí)際結(jié)果相符合，但不滿足技術(shù)要求規(guī)定的≥45N要求。

表1 分離力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2 基于原CAM蓋板卡扣模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化的有限元分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

原CAM蓋板卡扣根切深度為1.2mm，保持面角度為75°，梁厚度為2mm，如圖6所示。由于卡扣的根切深度、保持面角度和梁厚度結(jié)構(gòu)因素直接影響分離力的大小[5]，為滿足CAM蓋板與CAM支架的拆卸分離力≥45N的技術(shù)要求，因此對(duì)CAM蓋板卡扣結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，分別對(duì)根切深度、保持面角度及梁厚度三個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，并對(duì)其進(jìn)行模擬計(jì)算，具體方案見下表2。

圖6 卡扣結(jié)構(gòu)示意圖

表2 CAM蓋板卡扣結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

基于原有限元模型邊界條件、加載條件及求解方案，重新導(dǎo)入優(yōu)化后的CAM蓋板模型，三種優(yōu)化方案有限元分析結(jié)果如下：

圖7 方案1卡扣最大應(yīng)力及最大應(yīng)變分布分布圖

優(yōu)化方案1：CAM蓋板卡扣根切深度由1.2mm增加到2.2mm，其他參數(shù)不變。有限元分析結(jié)果如圖7所示，卡扣最大應(yīng)力為36.17MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.75%。

優(yōu)化方案 2：CAM 蓋板卡扣保持面角度由 75°增加到80°，其他參數(shù)不變。有限元分析顯示卡扣最大應(yīng)力為28.95MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.39%，如圖8所示。

圖8 方案2卡扣最大應(yīng)力及最大應(yīng)變分布圖

圖9 方案3卡扣最大應(yīng)力及最大應(yīng)變分布圖

優(yōu)化方案3：CAM蓋板卡扣梁寬度由2mm增加3mm，其他參數(shù)不變。有限元分析顯示卡扣最大應(yīng)力為39.23MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.92%，如圖9所示。

三種方案卡扣分離力如圖10所示，方案1、方案2及方案3最大分離力分別為49.16N、36.09N及40.76N，均大于原方案最大分離力29.55N，且方案1滿足技術(shù)要求≥45N。

圖10 各優(yōu)化方案分離力變化

基于以上結(jié)果分析，對(duì)比三種優(yōu)化方案可知，方案1增加卡扣根切深度，分離力增加最大，但卡扣所受最大應(yīng)力和應(yīng)變也隨之增大，尤其在根部及彎曲面上所受應(yīng)力和應(yīng)變都要比其他兩種方案大，這是由于卡扣根切深度增加導(dǎo)致卡扣脫出過程中彎曲變形量增大所導(dǎo)致。方案2中卡扣所受應(yīng)力與應(yīng)變均最小，表明保持面角度增加5°對(duì)卡扣脫出過程影響不大，主要由于原方案保持面角度設(shè)計(jì)已經(jīng)較大，保持面角度為75°，非常接近90°最大值（保持面角度為90°認(rèn)為卡扣是不可拆卸結(jié)構(gòu)）。方案3中最大應(yīng)力和最大應(yīng)變?cè)谌N方案中雖然為最大，但是最大應(yīng)力和最大應(yīng)變區(qū)域很小，且卡扣彎曲變形區(qū)域應(yīng)力和應(yīng)變分布值在三種方案中最小，這主要是卡扣梁厚度增加相應(yīng)提高了卡扣抗彎曲能力，相對(duì)變形減小。綜上分析，方案1為最優(yōu)方案選擇。

實(shí)際產(chǎn)品按照方案1對(duì)卡扣根切深度優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示最大分離力為47.9N，如圖11所示，相對(duì)誤差2.6%，分離力滿足技術(shù)要求，有限元分析與實(shí)際測(cè)量結(jié)果一致。

圖11 優(yōu)化后卡扣實(shí)驗(yàn)分離力

3 結(jié)論

1）通過UG NASTRAN求解器對(duì)接觸非線性問題進(jìn)行有限元計(jì)算，分析了卡扣在分離過程中最大應(yīng)力、最大應(yīng)變位置分布及分離力的變化情況，結(jié)合材料屬性可以準(zhǔn)確判斷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，規(guī)避設(shè)計(jì)缺陷。

2）本文通過對(duì)CAM蓋板與CAM支架分離過程的有限元分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，二者相對(duì)誤差為7.4%，卡扣結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的分離力有限元分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，二者相對(duì)誤差2.6%，說明此類問題通過有限元方法可以準(zhǔn)確計(jì)算，為后續(xù)類似問題解決提供重要參考意義。

3）通過對(duì)CAM蓋板卡扣根切深度、保持面角度和梁厚度有限元分析，得到各參數(shù)變化對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變和分離力的影響，最終確定最優(yōu)方案，具有一定理論指導(dǎo)意義。