【CAE模擬】提高卡扣/卡勾分析工作效率（Snap-fit）-艾索科技

( 本文為德國馬牌 Continental 公司案例 , 以下簡稱 Continental 公司 )

 

一、使用 Ansys Mechanical 分析卡扣設計以改進產品

Continental 公司的許多產品使用卡扣作為緊固件，像是抬頭顯示器和其他顯示器、儀表組、遠程訊息處理控制單元、相機、汽車鑰匙等等，他們希望能夠改進這些產品。

• 在產品開發階段，Continental 公司使用 Ansys Mechanical 分析卡扣設計來確保：

1. 卡扣在組裝過程中運行順暢

2. 卡扣的裝配應力在材料限制範圍內

3. 裝配力滿足客戶要求

 

產品簡介: Ansys Mechanical 結構模擬 | 軟體簡介

 

二、卡扣部位與功能簡介

有不同類型的卡扣選擇，包括懸臂、扭轉和一般卡扣接頭，其中懸臂扣合是最常見的。在最簡單的形式中，懸臂卡扣由一個突出的樑和一個卡扣組成，此類型的卡扣在裝配過程中當插入面接觸配合部件時偏轉彎曲，當卡扣的停留面(BC)滑過配合部分，樑就會從彎曲回到其原始狀態，最後保持面與配合部件接觸就能牢固地固定組件。

三、卡扣的3個健全性分析測試

工作流程由三個線性分析組成，測試循環按順序執行，從彎曲剛度測試開始，接著進行扭轉剛度測試，最後完成根部和接點應力的評估，即為一個完整的流程。如果卡扣設計在任一測試環節失敗，則退出測試循環，使用這些線性分析測試評估卡扣設計通常需要 10 分鐘左右的時間。

1. 評估卡扣抗彎剛度

卡扣配件會略有變化，例如某些卡扣接頭有肋條或長度不同。在所有情況下都需對彎曲剛度進行評估，以確保所有卡扣配件都有相同的彎曲剛度。

為了說明這一概念，請想像有兩個卡扣配件（A 和 B）的零件，如圖 3 所示，卡扣 A 厚度更小因此較 B 更靈活。假設兩個卡扣在裝配過程中具有相似的重疊值，偏轉卡扣 A 和 B 所需的彎曲力會不同，A 和 B 之間的彎曲剛度差異會產生垂直於裝配方向的力 (如圖4)。這種力會使卡扣裝配過程中無法順利運作、造成裝配後應力，這是一種不良結果，將導致長期蠕變和卡扣的斷裂敏感性增加。

為了評估卡扣配件的抗彎剛度，每個單獨的卡扣配件通過重疊值受到遠程位移邊界條件的影響，在離根部稍遠的地方應用固定邊界條件 (如圖3)，遠程載荷的所有其他位移分量均設置為自由。對於每個遠程位移負載，使用測力探頭測量使卡扣配合偏轉以達到重疊值所需的力。重複卡扣配件設計，直到每個卡扣配件的彎曲力等於零件中存在的其他卡扣配件（A彎曲力 = B彎曲力）。

 

 

2. 檢查卡扣扭曲旋轉

沿卡扣配件的樑創建切口，以便為其他組件提供間隙。這種切口產生非對稱的卡扣配件 (如圖5)。在組裝過程中，非對稱卡扣配件傾向於圍繞縱軸旋轉或扭曲 (如圖6)，因此必須檢查每個卡扣配件的扭轉剛度以防止不必要的扭曲。

裝配過程中扭曲的卡扣配件會導致沿停留面角部的應力集中，且可能產生不符合技術清潔度要求的毛刺 (如圖7)。

評估卡扣配件的扭轉剛度不需要任何額外的分析，有限元分析師只須簡單查看變形的卡扣頭 (如圖8)，並檢查卡扣在承受用於評估彎曲剛度所描述的遠程位移載荷時的任何旋轉。

3. 卡扣裝配拉伸時的根部應力

錐形懸臂卡扣配件中的最大應力拉伸發生在其根部，有時會在卡扣上添加一個肋條以增強其保持力。在這種情況下，最大拉應力出現在肋的尖端 (如圖 9)。當配件裝配時在該面上滑動，卡扣的停留面會承受最大剪切應力。為防止卡扣配合失敗，組裝時必須將這些關鍵區域的應力保持在材料限制範圍內。

使卡扣配件承受與對應重疊值的遠程位移負荷肋的根部或尖端應力，然後插入脆性材料或韌性材料的應力工具來評估。如果應力工具識別出任何熱點，則可以檢查卡扣的橫截面，以驗證熱點是否延伸到材料深處，或只是表面應力集中 (如圖 10)。

 

四、新模擬分析流程更精準省時

一項研究證明了，新的模擬工作流程比傳統非線性分析更為精準且大幅降低分析時間。研究定義的幾何結構包括 A,B 兩個懸臂卡扣配件，與剛性按扣重疊 2.1 毫米 (如圖11)，卡扣配件 B 基於較大的樑厚度所以較硬。在非線性準靜態分析中，假設配件之間的摩擦係數為 0.2，為了模擬最壞的情況，假設配件是剛性的。在靜態分析中，卡扣 A 和 B 的停留面有 2.1 mm 重疊值的遠程位移。

用於非線性分析的主要接觸參數定義在圖 12。

                              

如圖 13 所示，非線性接觸的穿透保持在 2.1 mm 卡扣配合重疊值的 2% 以內以確保結果準確。

研究結果表明，兩種方法確定的彎曲力差異與最大等效應力的位置幾乎一致。在靜態分析時最大等效應力略低（~5MPa），但在最初設計評估和探索階段，這種準確性是可以接受的。一般來說，可以得出結論，工作流提出的靜態分析在彎曲力和等效應力方面的差異與非線性分析相似。與非線性分析相比，靜態分析所需的時間和精力是微不足道的。  

求解靜態分析所需的 CPU 時間為 9 秒，而在非線性分析的情況下記錄的 CPU 時間為 187 秒。因此，建議的工作流程不僅設置簡單，而且解決問題的時間縮短了 95%。

 

五、卡扣通過健全性測試的優勢

通過所有三個健全性測試的卡扣不僅在組裝過程中運行順暢，而且結構故障的風險也很低。因為這些測試是靜態線性分析，所以可以提供快速解決方案，並且可以探索多個設計迭代。然後可以對通過這些健全性測試的卡扣設計進行高級非線性分析，以確保裝配力符合客戶規格。

 

 

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