基于ANSYS的塑料卡扣装配力学分析方法

第6卷第2期江南大学学报(自然科学版)V01．6No．22007年4月JournalofSouthernYangtzeUniversity(NaturalScienceEdition)Apr．2007文章编号：1671—7147(2007)02—0224—05基于ANSYS的塑料卡扣装配力学分析方法陈(1．江南大学机械工程学院，江1，李世国“，宋娥1无锡214122；2．江南大学设计学院，江苏无锡214122)摘要：在CAD三维模型基础上利用ANSYS作为CAE分析的基本流程，以POS(PointofSales销售点终端)机的卡扣连接为例，阐述了基于PRO／E和ANSYS9．0系统的卡扣连接分析方法和关键步骤．用ANSYS可方便地确定POS机卡扣的最大应力和应变，并可动态显示其装配过程，以检验卡扣设计的合理性．再对基于ANSYS的分析结果与简化计算公式的计算结果进行比较，结果表明对复杂的卡扣结构采用ANSYS分析方法是合适的解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ．关键词：卡扣装配；应变分析；ANSYS；CAD转换；接触非线性中图分类号：TH161．7；TB12文献标识码：AMechanicalAnalysisMethodofPlasticSnap—FitBasedonANSYSCHENYanl，LIShi—guo“，SONGE1(1．SchoolofMechanicalEngineering，SouthernYangtzeUniversity，Wuxi214122，China；2．SchoolofDesign，SouthernYangtzeUniversity，Wuxi214122，China)Abstract：ThebasicflowofanalysisofCAEbyANSYSwasintroducedinthepaperonthebasisof3Dmodel．Takingtheconnectionofthesnap—fitofPOS(PointofSales)machineforexample，thewayofanalysisandthekeyprocesswhichbasedonthesystemofPRO／EandANSYS9．0wereaddressedbythearticle．Themaximalstressandstrainofsnap—fitofPOSmachinecouldbeeasilyobtainedbytakingadvantageofANSYSandtheprocessofassemblycandynamicallydisplayedSOastobeusedtocheckuptherationalityofthedesignofthesnap—fit．BoththeanalyticalresultbyANSYSandthecalculatedresultbythesimplifiedformulawerecomparedtoshowthattheanalysisofthecomplicatedstructureofsnap—fitbasedonANSYSwasabetterway．Keywords：snap—fit；stress—analysis；ANSYS；CADFIX；nonlinearcontact卡扣作为零部件的一种重要连结形式在产品设计中得到了广泛应用，因采用这种形式的连接具有不影响整体外观、装配方便和不增加额外零件的优点．卡扣连接主要是通过装配过程中弹性变形和到位后的变形复原来实现两零件问的相联，如衣服上的金属按钮就是卡扣连接的典型应用．卡扣材料多为金属材料或塑料，在产品设计中后者更为常见．塑料卡扣因其材料具有成本低廉和成形方便的收稿日期：2005—10一17；修订日期：2006--02—22．作者简介：陈燕(1981一)，女，江苏扬州人，机械设计及理论专业硕士研究生．*通讯联系人：李世国(1956一)，男，四JIl资中人，教授，硕士生导师．主要从事CAD／CAM／CAE等研究．Email：shiguo—edu@yahoo．tom．cn燕苏万方数据第2期陈燕等：基于ANSYS的塑料卡扣装配力学分析方法225特点，使得卡扣在塑料件的连接中更加实用和流行．近年来，弹性卡扣连接已成功应用在自动装配线上．因为用机械手实现装配，必须经过严密的力学分析及可靠性设计[1]．目前，卡扣的结构形式和尺寸参数通常根据经验、简化公式或实验数据来确定．设计后的卡扣性能可以通过偏斜极限分析、手工公式计算或者利用有限元方法进行检验[2]，而现有的有限元分析主要集中在二维分析．文中在已建立卡扣及其相关部分三维数字化模型的基础上，利用CAE技术进行评估，以确定卡扣的合理性和可靠性．1卡扣连接的建模途径与力学分析为了准确地评估卡扣连接的力学性能，需要建立其三维模型利用CAE软件对三维模型进行有限元分析，该模型可在CAE系统中构建，也可以直接利用CAD系统中已经创建的模型．但前者往往需要重复建模，且由于CAE系统的建模功能较弱，因而工作量大，建模困难．显然，直接利用CAD系统的三维模型是更佳的选择．以实际课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 POS机的卡扣连接分析为例， 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 基于PR0／E和三维ANSYS9．0系统的卡扣连接分析流程：①在PR0／E中新建三维模型或打开已有模型，根据分析对象，对三维模型进行适当简化，删除对分析结果影响甚微的某些特征；②将三维模型导入ANSYS软件中；③确定模型的分析类型；④对模型进行前置处理；⑤设定边界条件并求解；⑥对求解结果进行分析，确定是否满足要求．如果不满足要求，在PRO／E中修改结构和尺寸参数，重复上述步骤．2用于ANSYS的三维模型基本要求及格式转换2．1分析用三维模型的基本要求ANSYS中需要的三维模型一般可在PRO／E等CAD系统中创建，可分为两种情况：若分析中需要的是零件模型，则对建模没有特殊要求，通常可直接利用其三维模型；若分析中需要的是组件模型(如图1所示的POS机模型)，为了保证导入ANSYS后各组成部分间位置的正确，最好采用自顶向下的设计方法使零件与装配的两坐标系重合．采用该方法不仅有利于在PRO／E环境的修改操作，而且将产品模型导入其他系统时，由于坐标系的统一，将零件逐一导入时仍可保留装配原貌，不需要用手动再次装配．图1PRO／E模型Fig．1PRO／Emodel为了提高在ANSYS中的求解速度，复杂模型在导人前应删除对分析结果影响可忽略的，如倒角、倒圆及孔等特征．因为在ANSYS划分网格时，对于细小特征消耗的时间最多，分析中对于不需关心的局部也会耗时过多．为了不影响原有的产品模型，可以将分析用模型按另外的名称保存．2．2三维模型的格式转换和导入由于ANSYS不能直接打开PRO／E的模型文件(*．prt)，因此分析用模型需经格式转换后才能在ANSYS环境导入．一般是将PRO／E的*．prt格式的文件转换为IGES格式的文件后，再导人ANsYS系统，具体操作见文献[3]．由于各种三维软件使用的几何造型平台和接口协议的差异，将模型转换成IGES格式导入时经常会产生面和线的丢失，所以这里采用了CADFIX6．0软件作为中间转换软件．CADFIX6．0提供了多种三维数据的转换接口，包括ANSYS支持的*。sat和*．parasolid格式，所以文中将POS机分析用模型转换成parasolid格式的文件．注意在CADFIX中导入应为2个零件文件(POS机的Shellup．prt和Shelldown．prt)，而非装配文件(Shell．asm)．然后在ANSYS／FiIe／Import／Parasolid中将模型读入CADFIX生成的*．#*一cf．x_t文件，ANSYS界面中出现POS机模型，见图2．因为在CADFIX中转换的PARASOLID文件是以m为长度单位的自封闭单位制，所以导入后ANSYS默认其自封闭单位制．图2导入ANSYS中的PARASOLID分析用模型Fig．2ThePARASOLIDmodelforANSYStoanalyze3卡扣模型的前置处理3．1确定卡扣的分析类型卡扣在装配过程中主要是两个面的接触和变形，装配时施加力的大小是根据面本身相互作用的万方数据226江南大学学报(自然科学版)第6卷接触力确定的，而两个面接触变形轨迹不是简单的线性方程线，所以卡扣的分析类型应为接触非线性力学分析类型．3．2单元的选择3．2．1实体单元选择的一般原则①对曲面形状较复杂的模型，最好采用有中节点的SOI。ID95(六面体)单元，因为其单元对于曲面的拟合性更好，但同时多了12个中节点，使单元的求解量大大增加；②对于一些对曲面本身不是特别关注的分析，采用没有中节点的SOI．ID45单元就可以满足要求；③Tet92是角锥体单元，适用于形状较为简单的零件．该类型的单元对自由网格划分的支持最好，但是由于角锥体单元较小，往往会产生大量的网格数，计算量很大，而且自由网格划分本身的计算精度也不是很高．此外，还可以通过ANSYS的帮助文档查看所选择的单元类型是否支持所需的实体单元，如接触分析中CONTACTl75接触面单元就不支持有中节点的实体单元对体的网格划分．3．2．2接触单元的选择接触单元是覆盖在分析模型接触面之上的一层单元．在ANSYS中，点一面的接触是通过跟踪1个表面(接触面)上的点相对于另一表面(目标面)上的线或面之位置来表示的，并使用接触单元来跟踪2个面的相对位置．接触单元的形状为三角形、四面体或锥形，其底面由目标面上的节点组成，而顶点为接触面上的节点[4]．图3为二维点对面接触单元示意图[5]．圈3二维点对面接触单元Fig．3Contactunitof2Dpointtosurface模型的接触单元类型应根据实际的接触情况来选择，在三维分析中，如果是面面接触，可以选择点面接触单元分析，也可以选择面面接触单元．但面面接触单元对于点对点、点对面或者是边对面的接触应用场合并不适用，比如卡扣的装配场合[6]．在理论上，节点恰好位于某个接触段上时即认为产生了接触，但在数值计算接触过程中，要精确描述节点恰好在一个接触段是困难的．因此引入了接触距离容差来解决这一问题．如果某一节点的空间位置位于接触距离容差之内，就被当成与接触段相接触，见图4[7]．接触距离容限可以通过修改接触单元选项特性，将AutoCN()F／ICoNTadjustment(K5)中的NoAutoAdjust改为Closegap，从而允许容差的出现，大小为系统根据分析模型几何尺寸自动设置的默认值．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一一厂77777777r777177刀7r777乃r777_}2工容限接触面附近的接触距离容限(a)没发生接触(b)发生接触图4落入容限的节点即被产生了接触Fig．4Nodesintolerancearecontacted本例中是上下壳卡扣的装配，所以采用的是CONTACTl75点面接触单元，而其对有中节点的实体单元是不支持的，所以这里实体单元选用的是无中节点的SOLID45单元．3．3单元实常数的设置3．3．1接触刚度系数接触单元的接触刚度系数FKN为1个实常数．FKN是定义法向接触刚度的因子，其值通常在0．01和1之间．缺省时取1，适合于大变形的情况下．在分析中如果塑性变形占主导，则推荐使用更小的值，如0．1．卡扣在装配过程中的变形为较大的弹性变形，故FKN值可取1．3．3．2材料属性卡扣的材料为ABS，由机械设计 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 查得其弹性模量为EX一1．76E9、泊松比为0．35(材料属性1)和滑动摩擦系数MU=0．38[8](材料属性2)．3．4调整模型的相对位置POS机的上下壳零件在默认位置为装配后的状态．要分析在装配过程中卡扣的变形和应力变化情况，必须将POS机的上下壳分开一定距离，以反映装配前的状态．在ANSYS中调整其位置，其Z方向的距离设为0．03m，见图5．圉5位置调整后模型Fig．5Modelofpositionadjusted3．5网格的划分和单元属性的匹配对于较复杂的三维模型，一般使用自由网格划万方数据第2期陈燕等：基于ANSYS的塑料卡扣装配力学分析方法227分，自由网格划分中的智能尺寸选项可以在设定等级内使细节细化，大体上粗化．在一定程度上控制了网格数量，对计算提高精度和速度都有益，建议在自由网格划分时选择此项．智能尺寸分1～9个等级，1级等级最高，网格划分最细，划分时问也最长．当用六面体单元对三维模型进行自由网格划分时，由于六面体单元对一些复杂边界形状不能进行划分，系统将自动在局部将六面体退化成角锥体来替代．在POS机的分析中，为了缩短计算时间选择智能尺寸等级为8进行网格划分，划分结果见图6．图6划分网格后的有限元模型Fig．6FEmodelofmeshdivided将SOLID45实体单元与其需要的材料属性1配对，CONTACTl75接触单元和材料属性2配对．3．6接触对的确定要确定接触对，首先要预测是哪些面要相互接触，如若是一个面和另一个面接触，可以将一个面上的节点建成一个组，然后作为目标节点组和另一个面组成接触对；如果有一面和多个面接触的情况，则将多个面上的节点组成一个节点组和另一个面配对．根据实际情况将POS机上壳一个卡扣上的几个面节点组成SNAP节点群与下壳内侧面相配对，如图7所示．图7接触对Fig．7Contactpair4卡扣装配的边界条件设置及求解4．1对求解结果的控制设定求解结果的控制包括确定分析类型是静态还是动态、大变形还是小变形及计算子步的设定等．其中大应变分析说明由单元的形状和取向的改变导致了刚度改变，POS机卡扣装配是静态大变形．计算子步数的设置以至少基本反映装配中的变形过程为前提，可以再根据需要适当增加子步数．子步数越多反映装配过程越精确，但计算量也大大增加．4．2设定模型边界约束条件和载荷POS机卡扣的实际装配是通过上下壳z方向的相互移动来实现的，分析假设装配中上壳固定，下壳向上壳移动装配．没定模型边界条件时对上壳表面进行全约束，下壳只有z方向0．03iTIIll的位移自由度．在接触分析中不需要手动加载荷，系统将自动给模型有自由度的方向施加一载荷力．4．3求解ANSYS求解方式主要有以下3种形式：①CurrentLS(10adstep)：对当前分析模型的求解，求解过程不可以中止；②FromLSFiles：可以对载荷计算子步进行有选择的计算；③PartialSolu：分析过程可以中止，已经求解的结果可以保存用于其它软件包或者用户编译程序的输入[6j．通常可选择CurrentLS方式求解．5卡扣装配的求解结果及方法比较5．1ANSYS的求解结果输出对于静态力学分析，可用POSTl处理器输出结果．计算完成后进入POSTl处理器模块，根据需要可选择单个载荷步来显示其变形情况．为了直观地观察POS机卡扣在实际装配中的变形状态，本实例选择了等效应力的动画模拟输出．选择P10tControl／Animate／OverTime选项，打开显示动画设置界面，将显示帧数设为6(与前述的载荷计算子步数)，显示项目设为等效应力(SEQV)，系统将在读入分析结构后显示装配过程中的等效应力动画．此外，还可以将表示变形过程的动画按AVI格式保存．通过等效应力动画可以方便地观察卡扣应力和应变的大小，确定最大值的位置，如图8所示．图8卡扣的最大应力云图Fig．8Maxstressgraphofsnap-fit结果显示装配过程中卡扣所受应力最大为10MPa，最大应变为3％．而丙烯腈一丁二烯一苯乙烯ABS的最大许用应变为6％～7％(此值是对短期应变、少次数或单次数操作而言)[8]，因此款POS机装配后不允许再次拆开，即卡扣的装配只有1次，所万方数据228江南大学学报(自然科学版)第6卷以应变量为3V00的卡扣设计基本符合要求．如果最大应变不符合要求，则可以通过减小卡扣干涉部分突起高度或增加卡扣的臂长来解决．5．2卡扣装配的简化计算方法典型悬臂梁类卡扣最大应变的简化计算公式‘叼为e⋯一Ls箍式中，Q为恒矩形截面梁的偏斜放大系数，其可根据L／T的比值由文献E8]中表6．5取得，其余参数的意义如图9所示．将POS机卡扣的结构尺寸(L=7mm，艿一1．5ITIm，T一1．5ram)代人简化公式，得到其悬大应变为3．15oA．5．3卡扣装配的求解方法比较计算结果说明利用ANSYS得到的最大应变比简化公式的计算结果要小，这是由于前者在计算时考虑了与卡扣接触壁面、相连壁面的变形．单从计算结果来看，二者相差不大．如果只需要考虑卡扣时的最大应变，可直接采用简化公式进行计算．如果要获得精确的结果，则需采用ANSYS进行分析．虽然采用ANSYS分析的过程较直接使用简化公式要复杂得多，但可获得更精确的结果，特别是可以动态地显示装配过程，这是用简化公式无法实现的．此外，由于简化公式将卡扣当作为悬臂梁处参考文献：理，即把相连的主体部分设为刚体，其最大应变位于卡扣的根部(图9中B面)．ANSYS分析结果表明，POS卡扣装配时最大应变并非在卡扣根部，而是在根部稍偏上，这是因为在装配过程中与卡扣相连的壁面也产生了变形．图9卡扣简化计算尺寸示意Fig．9Simplifiedcalculatedsizesketchofsnap-fit另外，文献[8]给出的简化公式只适用于悬臂梁类的卡扣，对于复杂的卡扣结构采用ANSYS进行分析是更为适合的解决方案．6结论1)利用Pro／E建立的三维模型，通过CADFIX6．0的转换可以在ANSYS环境中使用，方法可以解决用不同CAD系统创建的复杂三维模型在ANSYS环境中应用的问题；2)提出用Pro／E与ANSYS的结合实现卡扣装配力学分析的方法，这种以三维模型为基础的分析较常用的二维分析能获得更为精确的求解结果，为卡扣连接结构的设计合理性提供了可靠依据．[1]徐佩弦．塑料卡夹联接[J]．塑料，1999，27(5)：39—43．xUPei—xuan．Plasticsnapfitting[J]．Plastic，1999，27(5)：39—43(inChinese)．Ez]GauravSuri，AnthonyFLuscher．Evaluationmetricsfortheratingandoptimizationofsnap—fits[J]．ResearchinEngineeringDesign，2000(12)：191—203．[3]邵将，李世国．Pro／E和ANSYS的连接方法和应用实例[J]．机械设计，2004，21(9)：58．SHAOJiang，LIShFguo．LinkingmethodandapplicationexampleforPro／EandANSYS[J]．JournalofMachineDesign，2004，21(9)：58(inChinese)．[41赵杰，常俊英，陈家庆．ANSYS在求解带摩擦接触问题中的应用[J]．北京石油化工学院学报，2003，11(4)：45．ZHAOJie，GHANGJun-ying，CHENJia-qing．ApplicationofANSYSsoftwareinsolutionofcontactproblemwithfriction[J]．JournalofBeijingInstitufeofPetrochemicalTechnology，2003，11(4)：45(inChinese)．[5]苏岚，王先进，唐荻，等．有限元法处理金属塑性成型过程的接触问题[J]．塑性工程学报，2000，7(4)：12．SULan，WANGXian-jin，TANGDi，eta1．AStudyoncontactproblemofplasticmetalformingwithfiniteelementmethod[J]．JournalofPlasticityEngineering，2000，7(4)：12(inChinese)．[63ANSYSInc．ANSYSRELEASE9．0Documentation[M]．Pennsylvania：ANSYSInc，2004．[7]郝伟，张洪，郝永福．有限元法在接触问题中的应用口]．机械管理开发，2005(2)：49．HAOWei，ZHANGHong，HAOYong-fu．ApplicationofFEAaboutcontactproblems[J]．MechanicalManagementandDevelopment，2005(2)：49(inChinese)．[8]保罗R博登伯．塑料卡扣连接技术[M]．冯连勋，译．北京：化学工业出版社，2004．．(责任编辑：彭守敏)万方数据基于ANSYS的塑料卡扣装配力学分析方法作者：陈燕，李世国，宋娥，CHENYan，LIShi-guo，SONGE作者单位：陈燕,宋娥,CHENYan,SONGE(江南大学,机械工程学院,江苏,无锡,214122)，李世国,LIShi-guo(江南大学,设计学院,江苏,无锡,214122)刊名：江南大学学报（自然科学版）英文刊名：JOURNALOFSOUTHERNYANGTZEUNIVERSITY(NATURALSCIENCEEDITION)年，卷(期)：2007,6(2)参考文献(8条)1.保罗R博登伯;冯连勋塑料卡扣连接技术20042.郝伟;张洪;郝永福有限元法在接触问题中的应用[期刊 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ]-机械管理开发2005(02)3.ANSYSIncANSYSRELEASE9.0Documentation20044.苏岚;王先进;唐荻有限元法处理金属塑性成型过程的接触问题[期刊论文]-塑性工程学报2000(04)5.赵杰;常俊英;陈家庆ANSYS在求解带摩擦接触问题中的应用[期刊论文]-北京石油化工学院学报2003(04)6.邵将;李世国Pro/E和ANSYS的连接方法和应用实例[期刊论文]-机械设计2004(09)7.GauravSuri;AnthonyFLuscherEvaluationmetricsfortheratingandoptimizationofsnap-fits[外文期刊]2000(12)8.徐佩弦塑料卡夹联接1999(05)本文读者也读过(10条)1.王洪新.葛芳塑料卡扣连接问题解析[会议论文]-20082.纪海慧.JiHai-huiAnsysWorkbench在卡扣装配分析中的应用[期刊论文]-现代制造工程2008(8)3.刘容.余世浩.李霞.LIURong.YUShihao.LIXia基于ABAQUS的呼吸防护面具卡扣装配设计[期刊论文]-中国个体防护装备2010(2)4.陈燕塑料卡扣设计研究及CAD应用模块开发[学位论文]20065.赵继元塑料卡扣的特点及在汽车上的应用[期刊论文]-科技创新导报2011(30)6.于海华悬臂钩卡扣装配有限元分析及优化设计[学位论文]20097.宋凯.刘钢汽车后保险杠倒车雷达卡扣安装变形分析[期刊论文]-汽车工艺与材料2007(8)8.董海东.杨延波.DongHaidong.YangYanbo基于Pro/EMechanicaStructure的塑料产品装配结构设计[期刊论文]-工程塑料应用2010,38(9)9.董晓华.欧阳德祥.彭华萍轿车门塑料卡扣注射模设计及改进[期刊论文]-模具制造2003(11)10.刘容呼吸防护面具设计及卡扣的装配力学分析[学位论文]2010本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jiangndxxb200702024.aspx