基于ABAQUS的一类天窗开关底座拉脱力分析

莫伟伟　刘国承

摘 要：CAE分析是卡扣结构设计的重要方法。本文通过ABAQUS，分析并优化一类典型天窗开关底座卡扣的拔出力，有效地找出了设计缺陷。运用动力学分析与实测对比，成功地解决了底座卡扣脱出问题。

关键词：拉脱力 ABAQUS 动力学 开关

Analysis on Polling-out force of Auto Skylight Switch BASE by ABAQUS

Mo Weiwei，Liu Guocheng

Abstract：The CAE is the important path to optimize card buckle structure design， In this paper， adjusting and optimizing the pulling-out force of a type of typical auto skylight switch BASE is useful to find out the design flaws by ABAQUS. The pulling-out problem of the base buckle is solved successfully by comparing the dynamic analysis with the actual measurement.

Key words：pulling-out force， ABAQUS， dynamics， switch

1 引言

对于塑料卡扣的设计，通过CAE分析，优化卡扣插拔力、装配强度等，已成为很多车辆开关产品开发必要手段。

本文以天窗开关底座卡扣作为研究对象，对底座与外壳的安装拔出力进行仿真分析，通过不同拔出方向研究，找出底座与外壳卡扣拉脱的薄弱点，优化卡扣结构，确定最佳参数，并通过对比实物进行测试，验证分析结果。

2 典型案例

2.1 案例描述

本文的案例产品，如图 1所示，为某车辆的天窗开关。底座采用四个对称的卡扣与外壳紧固，初始设计的卡接量为0.7mm。底座和外壳的材料分别为PA6GF30和PA6GF15。

从产品的常规设计上讲，通常设计考虑底座卡扣竖直方向上的拉脱力≥110N即可。而在实际中，由于底座需要插上接插器，其线束就存在各个方向被拉拽的可能，使得本产品在实物验证过程中，存在大量的底座拉脱失效件，需要进一步优化底座卡扣。

2.2 模型简化

根据天窗开关三维数模，取外壳与底座相关部分，简化圆角等结构，建立模型，如图2所示。

2.3 模型分析

在选择分析方法时，由于分析存在不稳定的接触，选用静力学分析必会存在极难收敛而无法获取拉脱力的问题。经综合考虑，引入了动力学方法来进行分析。

将处理的模型，导入ABAQUS中，进行网格划分。模型总单元数为42121个，单元类型均为C3D10M，即二阶四面体单元。

在软件中设置相应参数，建立有限元模型。

2.3.1 材料

设置材料参数。其中，PA6GF30与PA6GF15材料参数均为湿态参数，密度分别为1360kg/mm3和1230kg/mm3，杨氏模量分别为6200MPa和3500MPa，泊松比均为0.4。

2.3.2 边界条件设定

约束外壳远离卡扣侧底部，耦合底座接插器上表面，如图3所示，并根据分析方案，分别设置底座向对应拉脱方向移动，如图4所示，建立分析对比组。

外壳与底座接触，设置为动力学通用接触，接触属性采用无摩擦。

由于动力学分析与静力学分析相比，会存在一定的惯性影响，故而，为减少分析结果与实际结果的误差，设置分析的总时间为3s，拉脱行程5mm，即采用测力机的标准测试速度100mm/min进行分析。

2.4 分析结果

分析底座获取底座的各个方向的拉脱力由大到小依次为⑤>③>④>①>②。其中，③、④、⑤这三个方向的拉脱力分析结果均达到设计标准要求，而①和②两个方向的拉脱力均未达标，且②方向要远低于110N，如图5所示。

3 实物测量与分析

采用高精度测力机，对底座已编号的不同角度方向，拉脱底座上的线束，测量并记录测试数据，如表1所示。

对比测试与分析结果，原设计产品③方向实测拔出力112N要远小于分析结果，但分析各个方向的趋势基本接近实际。最薄弱方向②实测结果，约为分析结果的78.4%。

4 底座卡扣优化

综合考虑模具修模经济性，选择最佳的卡扣优化方式为增加卡接量。

更改底座卡扣，使卡接量分别为0.9mm、1.1mm，依次进行方向②的拉脱力分析，获得分析结果，分别为121N和149N。对比之前实测与理论分析结果的比例情况，预测0.9mm和1.1mm卡扣方向②拉脱力实际值应为94.8N和116.8N，其中，1.1mm理论上满足优化要求。

5 优化后可行性分析

卡扣修改后，需要评估其安装可行性。建立安装分析和拔出力分析的模型类似，不同点在于运动方向为底座垂直于外壳卡扣安装方向。分析后发现最大安装应变出现在外壳卡扣上边缘，其值为9%，安全系数为15%/9%=1.6>1.2（PA6GF15材料断裂应变为15%），卡扣孔无断裂风险;底座正向安装力35N，可以较为轻松实现底座单侧依次安装。故而，卡接量1.1mm可选用。

最终，修改模具后，测试实物拔出，拉脱方向②的最大载荷为119.6N，满足设计要求。

6 结语

（1）本案例经过综合研究与分析，另辟蹊径地采用动力学来分析，发挥了动力学分析没有收敛性问题的特點，较好地解决了静力学分析的不足。

（2）通过ABAQUS建立天窗开关底座与外壳卡扣各向拔出模型，找出底座拉脱最弱的方向，并测试实物获取相应实物数据，验证了分析的有效性，确定了分析与实际差异的比例，为准确解决设计缺陷提供有力的支持。

（3）尼龙类材料本身存在较强的吸水性，导致材料的性能会有较大的浮动，这也是导致尼龙材料在CAE中很难精确模拟出实际结果的重要原因，但分析的整体趋势是一致的，可为类似产品设计提供宝贵的经验。

参考文献：

[1]保罗 R.博登博杰，塑料卡扣连接技术[M].冯连勋等译.北京：化学工业出版社，2004.

[2]江丙云，孔祥宏，罗元元编著，ABAQUS工程实例详解[M].人民邮电出版社，2014.9.