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基于Abaqus隐式动态分析方法研究汽车塑料卡子的插
入力
王立杰,盛守增,杨晶晶
(长城汽车股份有限公司技术中心河北省汽车工程技术研究中心,河北保定,071000)
摘要:塑料卡子作为汽车内外饰产品中常用的紧固件,其插入力的大小严重影响塑料件产品
的装配简易程度。本文基于Abaqus隐式动态分析方法研究塑料卡子的插入力,将仿真分析
结果与试验结果进行对比,并通过控制影响卡子插入力值的因素,提升卡子插入力值的仿
真分析精度。
关键词:动态分析插拔力塑料卡子
1.前言
随着材料科学技术的不断发展,塑料产品在工程中的应用越来越广泛,尤其在汽车行
业。工程塑料的主要用途之一是替代金属在各种终端行业中的应用。特别是日益严格的环
保法规要求汽车减少排放量和提高燃油经济性,工程塑料正大量应用于汽车和运输行业。
塑料卡子是汽车行业中应用非常广泛的一种塑料产品,与金属卡子相比,塑料卡子具
有质量轻、成本低、耐腐蚀、耐久性好的优点。塑料卡子在开发过程中,插拔力的大小是
必须要满足的一项设计要求。从装配的角度出发,要求卡子的插入力尽量小;从保证不同
产品间能够牢固装配的角度出发,要求卡子的拔出力尽量大。因此在卡子开发过程中要求
插入力和拔出力必须控制在一定的范围之内。卡子设计失效的主要原因是不能满足插入力
值的设计要求。因此本文重点研究卡子插入力的仿真分析方法和提升卡子插入力仿真分析
精度的途经。塑料卡子的示意图如图1所示。
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图1.(a)卡子总成结构(b)卡子结构(c)卡子基座(d)卡子安装孔
2.Abaqus动态分析介绍
Abaqus在求解动力学问题时,将方程在空间上采用有限元方法进行离散后,变为常微
分方程:
?=?(?)+?(?)+?(?)
求解这种方程最常用的两种方法是:中心差分法和Newmark法。采用中心差分法解决动力
学问题被称为显示算法,采用Newmark法解决动力学问题被称为隐式算法。
显示求解是对时间进行差分,不存在迭代和收敛问题,最小时间步取决于最小单元尺
寸。计算费用昂贵。隐式求解需要求解非线性方程组,通过迭代方法求得近似解。动态问
题涉及到时间域的数字积分方法问题,在上世纪80年代以前,人们基本采用Newmark法进
行时间域的积分。任一时刻的位移、速度、加速度都相互关联,这就使得运动方程的求解
变成一系列相互关联的非线性方程的求解,这个过程必须通过迭代和求解联立方程组才能
实现。这就是通常所说的隐式求解法。
本文开展的塑料卡子插入力分析采用隐式动态分析方法进行求解,原因为:1、隐式求
解是基于刚度的求解技术,具有无条件稳定性;2、模型中最小单元尺寸在0.5mm左右,若
采用显示动态分析会增加计算成本。
22017SIMULIA中国区用户大会
3.卡子插入力有限元分析
3.1有限元模型
卡子插入力分析模型搭建主要分为四部分:
a.有限元网格划分:卡子安装孔结构规则,采取六面体单元进行划分划分;卡子和卡
子基座几何结构复杂,选择四面体单元进行网格划分。网格尺寸选择1mm。
b.分析模型连接:卡子和卡子基座之间是通过过盈装配实现连接的,在卡子装配过程
中,卡子和卡子基座之间无相对运动,因此在模型中通过在卡子和卡子基座接触面之间建
立Tie接触实现卡子和卡子基座的装配;抓取卡子基座根部表面节点,建立MPC刚性单元。
c.边界条件定义:根据试验过程中卡子安装孔的约束位置和卡子的运动方向确定有限
元模型边界条件,约束卡子安装孔四角棱线上节点的6个自由度,约束卡子基座除去卡子运
动方向(局部坐标系下的X方向)以外的两个平动自由度。
d.创建载荷和分析步:在卡子根部MPC主节点上添加0.4m/s的初始速度并建立隐式动态
分析步,同时输出MPC主节点的支反力。具体模型如图2所示。
图2.卡子插入力有限元分析模型
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3.2分析结果
图3(a)为卡子插入过程中卡子基座根部MPC主节点的支反力和时间的关系曲线。从曲
线上我们可以发现MPC主节点支反力在卡子完全进入安装孔之前共有5个变化阶段。
图3.(a)卡子支反力的变化曲线(b)卡子插入过程示意图
卡子在e点和安装孔接触,支反力由0N增大到38N。由图3(b)可知,此时MPC主节点支
反力
?=???????+??????
a.在e-f段,是卡子斜面a(如图3(b)所示)进入安装孔的过程,该过程中,卡子几何
变形较大,导致FN增大,而角度α缓慢减小,因此支反力总体呈增大趋势。
b.在f-g段,是图3(b)中距离m逐渐变为0的过程,即卡子末端与卡子基座接触。在该过程
中FN和角度α都变化较小,因此支反力大小基本保
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