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部件间存在预紧力的汽车遥控钥匙的跌落分析

作者:北京经纬恒润科技有限公司:张利民,王文平,范成建,马国星2013.10.23阅读 4877

  前言
  汽车遥控钥匙在实际使用中难免会发生跌落,少数几次跌落遥控钥匙就无法正常工作是设计所不允许的。因此在新款遥控钥匙的设计阶段,为了解新款遥控钥匙的抗跌落特性CONTROL ENGINEERING China版权所有,需要利用有限元软件对其进行仿真分析。本公司在设计一款汽车遥控钥匙时,为了让按键有很好的手感,需要让硅胶垫为按键提供一定的预紧力,从而造成了遥控钥匙的各部件之间存在预紧力,用有限元软件对这种部件间存在预紧力的遥控钥匙进行跌落分析具有一定的难度(1-2)。本文介绍了利用Abaqus软件对该款遥控钥匙进行跌落分析的仿真方法,重点介绍了如何在跌落分析的有限元模型中施加部件间的预紧力。
  1确定分析问题
  某款遥控钥匙由按键、上壳、硅胶垫、电池、PCBA、中壳、下壳、金属钥匙、logo、拨块、滑块等器件组合而成,如图1。根据设计要求需考察遥控钥匙由1米高的位置自由跌落到刚性地面上后,壳体是否脱开www.cechina.cn,钥匙是否正常工作CONTROL ENGINEERING China版权所有,钥匙是否有结构性损伤,按键是否能回弹。跌落次数为六次,即三轴六个方向,每个方向上各进行一次。

  图1 遥控钥匙的几何模型

  由于按键和硅胶垫之间存在预紧力,该力既是为了支撑按键,又是为了提供手感。同样硅胶垫对电路板也有预紧力,而电路板又把该预紧力传到了遥控器壳体上,为了准确模拟这些预紧力,需要在跌落分析前进行预装配分析,再用装配分析的结果模型作为跌落分析的求解模型进行跌落分析。
  汽车遥控钥匙各部件的材料类型和工艺处理方式如表1。

  表1构件材料塑性和工艺处理

  2分析流程介绍
  对规模较大的分析模型而言,按合理的仿真分析流程开发是至关重要的。合理的分析流程能够提高仿真分析效率,减少仿真分析时间。本文对某款汽车遥控钥匙进行仿真分析的工作流程如图2。

  图2仿真分析流程

  3建立CAE模型
  3.1模型简化
  跌落分析中主要关注的是跌落时按键是否卡滞,壳体是否会分离,跌落时按键是否卡滞,跌落后结构是否发生破坏等。影响壳体的主要因素是卡扣的配合量、拆卸角度等,所以卡扣上的倒角不能修正。影响按键卡滞的因素是硅胶垫对按键的预紧力大小及按键顶部形状,所以硅胶垫侧壁的结构不能进行简化,按键顶部的结构不能进行简化。影响跌落后结构是否会发生破坏的因素是遥控钥匙的触地面的形状和主要承力结构的形状,所以不能对遥控钥匙结构进行过大的简化。根据以上的要素,适当地对几何模型进行修正和简化。修正和简化的内容有去掉较小的倒角,隐藏过密的硬点和曲线,简化电池支承结构等。
  3.2网格划分
  网格划分的好坏不仅影响着分析结果的准确性,同时也关系着计算分析能否顺利进行。该遥控钥匙的PCB板、电池、电子芯片等组件形状比较规则,采用一阶六面体单元建模,在Abaqus软件中单元类型为C3D8R。该遥控钥匙的按键、上壳、中壳、下壳、硅胶垫等部件形状较复杂,划分六面体单元困难,所以采用二阶四面体建模,在Abaqus中的单元类型为C3D10M。划分好网格后要对网格质量进行检测,对边长最短的单元、扭曲最严重的单元、雅可比过小的单元等进行手动修改或手动划分;后者剔除严重奇异的单元,再重新划分,直到不存在严重的奇异性的单元为止。另外根据分析的关注点对关键部位的单元进行能够加密,例如对壳体卡扣处和硅胶垫折弯处的单元进行加密处理。

  图3遥控钥匙的网格划分

  4 装配分析
  4.1装配分析模型
  如图4所示,遥控钥匙3D数模中的按键和硅胶垫之间存在干涉,其目的是让遥控钥匙装配好后,在不按动按键时硅胶垫就已给按键一个向上的预紧力,使按键保持在该位置。由于硅胶垫提供的预紧力的大小影响着按键在跌落后是否会发生卡滞,所以应该先用Abaqus软件进行预装配分析模拟预紧力,再把装配分析结束时遥控钥匙的结果状态当作跌落分析前遥控钥匙的初始状态,这样才能模拟硅胶垫为按键提供的向上的预紧力及各部件之间的预紧力。

  图4 设计工程提供的3D数模

  建立装配分析有限元模型时,需要用Abaqus中菜单栏中Instance>Translate命令把按键竖直向上移动0.4毫米到如图5所示的位置,即按键与未变形前的硅胶垫恰好接触的位置。

  图5装配分析前按键上移0.4mm

  接下来进行材料参数赋值,边界条件设定和载荷施加。在边界条件设定时,选用Abaqus中的Surface-to-surface contact(Explicit)接触方式设定各个面之间的接触关系,同时不要设置按键和上壳体之间的接触关系。不设置按键和上壳体间的接触关系,目的是不考虑按键与上壳体之间的干涉。固定PCB板和上壳体上节点的三个平动方向,目的是限制硅胶垫下移并建立硅胶垫和PCB板之间的接触关系。在载荷施加时,限制按键水平方向的位移,让按键竖直向下移动0.4毫米,目的挤压硅胶垫返回到原来位置。
  4.2装配分析结果
  建立好装配分析模型后,利用Abaqus显式动力求解器进行求解分析,分析时间设定为1毫秒(控制在1毫秒及以上,以保证硅胶垫有足够的响应时间)。装配分析后得知单个按键上的预紧力为2牛顿,硅胶垫上变形如图6所示。

  图6 装配分析后硅胶垫变形图

  5 跌落分析
  5.1跌落分析的预紧力施加
  利用Abaqus菜单栏中的Model>Copy Model命令复制装配分析模型,生成一个新模型,命名为跌落分析模型。并把跌落分析模型边界条件设计和载荷设定都删除掉。在跌落模型中的Step>Initial>Predefined Fields > Other >Initial state命令中输入装配分析的结果文件名,文件格式为.ODB,至此已把装配分析的结果文件导入到跌落分析中。再在跌落分析模型中建立刚性模型地面,得到跌落分析的有限元模型如图7所示。

  图7 跌落分析有限元模型

  5.2 跌落分析的初速度施加和接触定义
  在跌落分析有限模型中的Step>Initial>Predefined Fields>Other>Mechanical>Velocity下给定遥控钥匙触地瞬间的速度4.43mm/ms(假定重力加速度为9.8m/s2)。建立一个刚性地面的参考点,固定刚性地面的三个转动自由度和三个平动自由度。并利用Abaqus中的General contact命令建立通用接触。至此跌落分析有限元模型建立完成。
  5.2 跌落分析结果
  利用Abaqus显式动力求解器进行求解分析,求解时间为1毫秒。求解时间定义为1毫米的原因是该跌落过程会在零点几个毫秒内结束。分析结束后,查看结果文件,可见跌落分析是从第1毫秒开始迭代计算直到2毫秒。第1毫秒时刻即跌落分析开始时刻遥控钥匙的状态如图8所示。

  图8 跌落开始前的截面图

  图9变形最大时的截面图

  观察动能随时间的变化曲线,发现第1.4毫秒时的动能最低,势能最大,及变形最大,在该时刻下遥控钥匙的变形如图9所示。对比图9和图8发现,画黑色圆圈的区域存在着明显变形。根据仿真动画图可知跌落过程中硅胶垫和壳体都发生比较明显的变形、按键和壳体之间出明显移位。但是跌落结束时,钥匙壳体未发生分离,按键能够回弹,壳体结构未发生破坏,从而可以判定该钥匙的具有一定的抗跌落性能。
  结论
  为了分析一款汽车遥控钥匙的跌落,首先利用Abaqus软件先对遥控钥匙进行了装配模拟,目的是模拟遥控钥匙部件间的预紧力,再把装配分析得到的结果模型作为跌落分析的求解模型,进行了跌落分析。查看跌落分析结果,发现该款钥匙跌落后按键能够回弹,壳体未脱开www.cechina.cn,壳体结构无损伤,汽车遥控钥匙结构设计合理。做以上工作的目的是介绍利用Abaqus软件进行装配分析的方法、进行跌落分析的方法及进行部件间存在预紧力的产品的跌落分析方法,为CAE工程提供一定的参考。
  参考文献
  刘永辉,张银. 基于有限元分析的汽车跌落冲击仿真和改进设计[J]. 振动与冲击,2011,30(2)164-166
  范文秀CONTROL ENGINEERING China版权所有,基于ABAQUS的圆柱管套的过盈装配过程仿真研究[J]. 机械管理开发,2010, 20(4) 5-6
  

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