某卡扣连接过程的数值模拟

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摘要： 针对某金属卡扣对接和插入连接的全过程进行数值仿真.仿真基于Abaqus/CAE开展，提取位移和应力等关键参数的响应.针对初始设计状态暴露的插入过程点面接触问题，提出改进意见.

关键词： 卡扣； 连接过程； 接触； 改进； 数值仿真

中图分类号： TH12； TB115.1文献标志码： B

0引言

卡扣是机械领域常见的连接装置，以其连接可靠、结构简单受到业界的青睐，广泛应用于通信、汽车等领域.不同使用环境和使用要求下，卡扣的选材、造型等差异较大.

卡扣的结构完整是完成其正常连接功能并维持连接状态的基本前提，即承受插入、连接过程的各类力学环境条件，不发生设计预期以外的塑性变形或断裂.

对于在电磁、火工环境下工作的卡口，往往存在结构完整性与工作过程安全性的双重要求：既要避免插入过程急剧刮擦引起的接触部位大幅升温，又要避免接触面大幅中断或金属插入件弹跳引起的电磁回路等.

本文针对某金属卡口的连接过程进行分析，针对设计状态插入件与紧固件之间的线面接触问题，进行设计方案改进.[1]

1模型各参数

该卡扣采用8叉+环扣设计方案，插入件根部采用倒圆角设计以降低应力集中，见图1.分析时取1/8结构，见图2.模型材料选用30#钢，弹性模量取200 GPa，泊松比取0.3，屈服应力取850 MPa，失效应力取1 200 MPa；塑性段弹性模量取50 GPa.[23]

2连接过程计算

插入件在1 s内向下运动6 mm.连接过程典型时刻的von Mises应力分布和径向位移见图3.

（a）整体图

（b）1/8卡扣结构

图 1结构方案

图 2分析模型

（a）应力分布

（b）径向位移

图 3典型时刻的von Mises应力分布和径向位移

不同时刻插入件与环扣的接触部位应力情况见图4.由于插入件逐步收缩，始终保持其棱边与环扣接触，属典型的点面接触.插入件根部von Mises应力随时间（轴向位移）的变化见图5，可知在插入件椎段与环扣接触时，应力增长速率要高于与柱段相接触的增率.[4]

（a）插入件

（b）环扣

图 4插入件与环扣的接触部位应力情况

图 5插入件根部Mises应力随时间变化

插入件头部某点的径向、环向位移的变化见图6.为将局部升温的影响降至最低，将插入件棱边作倒圆角处理.结果表明，接触过程中应力集中区域的应力值均大幅减小.改进后某时刻接触部位的应力分布见图7.图 6连接过程中头部位移随时间变化

图 7改进后接触部位的应力分布

由图7可知，尽管同样存在局部接触，但应力集中水平和高应力区域的范围大幅缩小.

3结论

通过前文分析，得出以下结论

（1）该型卡扣连接过程中未出现塑性变形，响应规律基本复合设计需求，未出现影响结构完整性的应力集中区域.

（2）全过程中插入件棱边与环扣发生点面接触，接触部位应力集中明显.

（3）插入件棱边倒圆角有利于增大接触面积、改善局部应力.参考文献：

[1]杨庆生. 现代计算固体力学[M]. 北京： 科学出版社， 2007： 8.

[2]石亦平， 周玉蓉. Abaqus有限元分析实例详解[M]. 北京： 机械工业出版社， 2006.

[3]庄茁， 由小川， 廖剑晖， 等. 基于Abaqus的有限元分析和应用[M]. 北京： 清华大学出版社， 2009.

[4]祖景平， 钱英莉， 周华樟. 基于Abaqus 6.6基础教程与实例详解[M]. 北京： 中国水利水电出版社， 2008.（编辑武晓英）第22卷 增刊22013年10月计 算 机 辅 助 工 程Computer Aided EngineeringVol.22 Suppl.2Oct. 2013