基于有限元的乘用车线束扎带插拔力改善分析
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摘 要：以某乘用车线束扎带为研究对象，基于US-Car标准及整车厂量产插拔力水准，使用ABAQUS软件对线束扎带设计进行有限元分析和设计优化，保证设计一次通过，避免因设计更改而带来的修模成本。
对于在整车中主要起线束集成、固定及排布的线束扎带，在使用中如果因插拔力设定不当，导致扎带失效出现松脱或断裂现象，轻则线束缠绕，产生异响，影响外观和产品形象，重则电路短路起火，引起重大事故和人身伤亡，因此插拔力的设定非常重要。从生产角度看，在满足USCAR标准的插拔力要求外，更需要从人体工程学角度考虑，根据整车厂装配人员的反馈改善插拔力以配合大规模量产时的现场操作性。为保证设计一次通过，减少开发成本，应用ABAQUS软件对某乘用车线束扎带进行有限元（FEA）分析，并根据仿真结果改进设计，使插拔力满足设计要求。
一、ABAQUS软件中模型建立及设计要求
ABAQUS软件是一款功能强大的通用有限元软件，可以分析复杂的固体力学结构和力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题，如卡扣插拔这样非线性较强的结构分析问题。在本文中使用NX软件创建三维模型，并应用ABAQUS软件进行网格划分和参数设置。对线束扎带头部模型，按实际应用信息，设置配合零件为直径7mm，厚度0.8mm的钢板。图1为线束扎带头部CAD模型，图2为线束扎带头部及配合零件CAD模型。
按照行业规范，本产品需满足USCAR2.0 Rev5对产品的各项要求，针对线束扎带头部插拔力，USCAR标准要求如下：插入力（Insertion force）≤60N；拔出力（Retention force）≥110N。
在满足USCAR的同时考虑到整车厂量产件的水准，最终确认产品需达到与以下整车厂量产品相同水准。整车厂插拔力要求如下：插入力（Insertion force）≤50N；拔出力（Retention force）≥110N。
二、初始设计及有限元模拟分析结果
基于实际装配环境、对配端尺寸和设计经验，初始设计如图3所示，图3中同时标出了对此线束扎带头部插拔力有影响的几个关键尺寸，包括头部卡扣的角度、卡扣中部筋位的厚度、圆角的大小和尾部的形状等。
在完成初始设计后，使用ABAQUS软件对设计进行初始的有限元分析，模拟扎带头部结构插入、拔出配合零件的非线性接触过程，仿真过程中扎带头部最大应力状体云图如图4、图5所示；扎带插入时其位移对应插入力的曲线如图6所示，由图6可知插入力最大值为55.6N；扎带拔出时其位移对应插入力的曲线如图7所示，由图7可知拔出力最大值为182N。
模拟计算的插入力为55.6N，虽然满足USCAR标准，但略大于客户现有的量产水准，仍需进一步的设计优化。
三、设计优化及有限元模拟分析
针对插入力偏大的问题，对几个主要尺寸进行了优化设计，优化方案如图8所示，头部卡扣的角度由34°减小为31°，卡扣中部筋位的厚度由1.7mm减小到1.5mm，圆角的大小由R3增加到R4，尾部的形状也简化为直接的直线过渡。使用ABAQUS软件对优化设计进行了有限元模拟分析，仿真结果结果如图9～图12所示：图9、图10为扎带头部插入、拔出时应力云图，图11为插入力对应扎带头部位移曲线，如图11可知插入力最大值为28.4N，图12为拔出力对应扎带头部位移曲线，如图12可知插入力最大值为209.5N。
从模拟分析结果来看，线束扎带头部插入力由55.6N降低为28.4N，拔出力由182N增加到209.5N，插入力和拔出力都满足标准和客户要求，当前设计可以进行模具制造。
四、设计验证
设计验证采用模具件进行试验验证，试验方法遵照USCAR2.0 Rev 5试验细则，试验设定如图13、图14所示，试验结果插入力29.6N，拨出力193N，试验结果与有限元分析结果接近，插入力误差为4%，拔出力误差为8%，插拔力满足性能要求。
五、结语
根据分析表明，线束扎带头部卡扣的角度、卡扣中部筋位的厚度、卡扣内圆角的大小等参数对线束扎带头部插拔力影响较大，在初始设计完成后通过对初始设计的有限元分析，并根据仿真结果进行设计优化，使插拔力满足客户要求，最终模拟分析和实际试验测量的误差控制在8%以内，表明仿真分析结果精度较高，可很好地指导插拔力的定义。
本文通过对某线束扎带插拔力进行有限元分析并优化设计的案例，凸显了有限元分析在现代设计中的重要性，通过计算机辅助分析，工程师可以在开模之前完成设计、模拟、优化、确认方案的一系列过程，避免以往凭经验设计开模后再验证、修模的过程，避免了时间和成本上的浪费，有效地提高了公司的效率和竞争力。通过本文的研究应用，对今后同类产品的设计和制造也具有指导性的意义。
参考文献
[1] USCAR 2.0 Rev 5.
[2] 石亦平. Abaqus有限元分析实例讲解. 机械工业出版社，2006-07-01.