仿真APP助力卡扣結構設計

一、背景介紹連接結構是產品中的重要部件，構成產品的各個功能部件需要以各種方式連接固定在一起形成整體，以完成產品的設計功能。常見的連接形式有螺栓連接、焊接連接、鉚接連接、粘合連接、磁力連接、卡扣連接等。而卡扣連接是一種能夠降低制造成本，提高裝置效率及便利性的連接方式，特別適合在塑料件上進行開發(fā)，廣泛應用在塑料與塑料之間及塑料與金屬件的裝配連接上。卡扣的類型有很多，按其形狀可劃分為：懸臂式卡扣、圓環(huán)式卡扣和球型式卡扣。1、懸臂式卡扣：這種卡扣最常見，用途最廣泛，很多形式是以此種卡扣演變而成，如安全帶卡扣、書包扣等。

圖1懸臂式卡扣

2、圓環(huán)式卡扣：常見于圓環(huán)型的產品，如筆筒蓋，食品盒等。圖2圓環(huán)式卡扣3、球型式卡扣：常見于一些類關節(jié)轉動的結構，如兒童玩具、手機支架等。圖3球型式卡扣卡扣的結構通常由兩個部分組成：一個是卡扣頭，另一個是卡扣槽。卡扣設計的最基本要求是實現(xiàn)兩個零件之間的連接固定，要達到連接固定的效果，卡扣頭和卡扣槽的尺寸匹配顯得尤為重要。過于緊密的裝配尺寸會讓連接過程變得十分困難且易造成卡扣損壞，而過于松弛的裝配尺寸則會導致卡扣連接晃動，甚至產生脫扣失效。為了確?？坌阅苣軌驖M足實際應用要求，需要進行詳細的計算分析和終端應用試驗。一般會計算卡扣插入過程中的裝配力、最大變形量、最大內部應力等。采用傳統(tǒng)的設計-分析流程，需要在卡扣設計定型之前進行反復的尺寸調整和分析計算迭代，不僅費時，而且費力。而基于Simdroid多物理場仿真平臺開發(fā)的仿真APP，可以實現(xiàn)卡扣結構的快速設計與分析，提高產品研發(fā)效率。二、仿真APP解決方案本文以圓頭卡扣為例，介紹卡扣的分析過程和仿真APP制作方法，并基于仿真APP完成卡扣的尺寸設計。1、仿真流程搭建1）參數(shù)化建模。建立卡扣模型，將其關鍵設計尺寸參數(shù)化。圖4卡扣參數(shù)化建模2）材料參數(shù)設定。為卡扣和槽定義力學屬性。圖5材料參數(shù)設定3）網格劃分。采用二階四面體單元對模型進行離散化。圖6網格劃分4）約束與載荷施加。將卡扣槽底面固定，在卡扣頭頂面施加強制位移載荷。圖7約束和載荷施加5）接觸定義。定義卡扣頭和卡扣槽接觸面之間的接觸，以及卡扣頭自身因變形產生的自接觸。圖8接觸定義6）求解設置。創(chuàng)建通用靜力分析步，并指定輸出場變量和求解并行核數(shù)。

圖9求解設置7）計算結果。分別查看位移云圖，應力云圖和應變云圖。圖10結果云圖2、仿真APP封裝基于Simdroid平臺提供仿真APP開發(fā)環(huán)境，通過選擇和鼠標拖拽的方式搭建卡扣分析APP界面，將卡扣的分析過程進行封裝，開發(fā)具有尺寸設計、分析求解、結果查看完整過程的一體化仿真APP，如下圖所示。圖11仿真APP開發(fā)環(huán)境3、基于仿真APP的結構設計下面基于卡扣分析APP，計算卡扣插入圓孔過程中的受力情況，并以此調整尺寸，優(yōu)化結構設計。初步設置一組尺寸參數(shù)，進行分析，從計算結果可以看出：卡扣插入過程中，最大應力達到了320MPa，超過了材料的破壞強度。一方面會造成卡扣裝配困難，另一方面會造成裝配過程中卡扣損壞。該組尺寸設計不合理，需要進行調整。圖12卡扣初步設計修改卡扣設計尺寸，如增大開口寬度，減小頭部直徑，重新提交進行計算。經過多次迭代，最終得到如下滿足力學要求的尺寸參數(shù)。從APP的應力云圖可以看出卡扣裝配過程最大應力為60MPa，滿足強度要求。圖13卡扣最終設計三、卡扣設計仿真APP應用卡扣連接在我們的日常生活中隨處可見，比如：服裝和紡織品行業(yè)：常用于衣物、鞋類、帽子等的固定和裝飾，如袖口、腰帶、鞋帶等。包裝行業(yè)：常用于紙箱、包裝盒等的封閉和固定，確保包裝物的安全和完整。家具行業(yè)：常用于家具的組裝和固定，如書柜、衣柜、桌椅等。體育用品行業(yè)：常用于運動器材的固定和調整，如自行車座椅、滑雪板綁帶等。電子產品行業(yè)：常用于手機、電腦、電視等電子產品的組裝和固定，如電池倉蓋、電池夾等。汽車行業(yè)：常用于汽車零部件的固定和連接，如車門把手、座椅調節(jié)器等。建筑行業(yè)：常用于建筑材料的安裝和固定，如天花板板材、墻面板材等。醫(yī)療行業(yè)：常用于醫(yī)療器械的組裝和固定，如手術器械、醫(yī)療設備等。針對不同的卡扣類型和拓撲形狀，都可建立與之對應的仿真APP，將分析過程進行封裝，實現(xiàn)產品性能的快速分析，完成產品的尺寸設計。有了仿真APP的協(xié)助，工程師不再需要進行繁瑣的建模與分析操作，也不需要過多關注分析原理和計算過程，就可以完成力學性能符合要求的產品結構設計。同時，本需要專業(yè)仿真工程師才能勝任的分析計算工作，可以部分交由設計工程師處理，減少設計部門和分析部門之間的迭代次數(shù)，縮短產品研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。歡迎廣大卡扣生產企業(yè)工程師在線使用仿真APP快速完成卡扣結構設計，輔助產品研發(fā)。四、仿真APP賦能每一個工業(yè)品相較于傳統(tǒng)有限元仿真軟件，基于Simdroid開發(fā)的仿真APP更加靈活輕便，用戶可以零門檻低成本、跨平臺跨終端隨時隨地訪問云平臺進行仿真分析工作，提升產品研發(fā)效率。同時，Simapps平臺也支持企業(yè)產商將仿真APP的在線計算界面內嵌到官方網站產品宣傳頁，或將仿真APP的二維碼植入到產品介紹手冊，為需求端用戶展示產品的科學設計方式及產品性能，提供產品使用場景的仿真分析。仿真APP賦能每一個工業(yè)品，助力企業(yè)提升產品競爭力。五、關于SimdroidSimdroid（中文名“伏圖”）是云道智造自主研發(fā)的通用多物理場仿真PaaS平臺，具備自主可控的隱式結構、顯式動力學、流體、熱、低頻電磁、高頻電磁、多體動力學等通用求解器，支持多物理場耦合仿真。在統(tǒng)一友好的環(huán)境中為仿真工作者提供前處理