1.引言
　　汽车产品生产批量大，可靠性要求高。卡扣连接具有不导电、抗腐蚀、热传导能力低、无磁性，又由于其结构简单、易于装配、不需要额外连接零件、价格低廉等特点，在汽车及其他领域得到了广泛应用。因此在汽车产品中，塑料卡扣装配过程中的强度分析和装配力的计算至关重要。
　　本文针对某车型天窗控制器外壳塑料卡扣装配过程进行有限元仿真分析，并应用理论计算对仿真分析结果予以验证。
　　2. 有限元仿真分析
　　某汽车控制器及其卡扣模型如图1所示。

　　图1 某汽车控制器及卡扣模型

　　截取卡扣部分模型进行仿真分析，卡扣分为上下两部分。控制器外壳材料为：PA6+GF30，其力学性能图表1所示。

　　表1 PA6+GF30力学性能

　　建模要点：模型采用C3D8R+HG单元和C3D10M单元进行计算。采用Abaqus/Standard求解器进行求解。在卡扣顶部建立RP点与卡扣上部顶端平面上的节点进行Coupling，约束RP点U1、U2、UR1、UR2、UR3方向自由度，并对RP点施加竖直向下位移。输出RP点的反力RF，RF即为所求装配力。有限元模型如图2所示。
　　为了使卡扣在计算过程中更容易收敛，将计算过程分为两个STEP，在第一个STEP中，对RP点施加Z方向位移0.01mm控制工程网版权所有，使卡扣的两部分建立稳定接触。第二个STEP中控制工程网版权所有，对RP点施加Z方向位移6.6mm。
　　有限元仿真分析结果：
　　最大Mises应力139.6MPa，如图3所示。小于材料屈服强度。卡扣在装配过程中不会发生破坏。
　　最大应变0.99%，位于卡扣根部，如图3所示。
　　最大装配力27.7N，装配力变化过程如图4所示。

               图2 卡扣有限元模型 

　　    图3卡扣装配应力/应变云图

　　图4 卡扣装配力变化曲线

　　3. 卡扣装配理论计算
　　卡扣理论计算模型简图，如图5所示。其中卡扣臂长度L=12.1mm控制工程网版权所有，卡扣臂根部宽度H=2.7mm，卡扣臂端部厚度T=2.1mm控制工程网版权所有，导入角α=21°，卡扣臂宽度B=6.6mm，Y=1.14mm。

　　图5 卡扣模型简图

　　根据悬臂梁卡扣理论计算公式[1]，

　　卡扣悬臂梁结构带有一定锥度，根据文献[1]中图6.31，由T/H查表得厚度带锥度的梁的比例系数K=1.201。
　　计算假设支撑卡扣的控制器外壳基体是无限刚性的。当卡扣发生偏斜时，外壳基体不发生偏斜。实际上2mm厚度的外壳基体是会偏斜的，而且对卡扣的性能影响也很明显。因此基体对卡扣特性的影响可以用偏斜放大系数Q计算[1]。

　　根据控制器整体结构及卡扣安装位置控制工程网版权所有，根据文献[1]中表6.5，由L/H查表得卡扣偏斜放大系数Q=2.0。
　　最大应变ε_max为：

　　垂直于卡扣面使卡扣偏斜的最大偏斜力P为：

　　最大装配力F为：

　　其中PA6+GF30材料的摩擦系数 μ=0.2。
　　4. 仿真分析与理论计算结果对比
　　计算结果说明有限元仿真分析得到的结果较理论计算值偏小，误差2.3%。这是因为理论计算中采用了几种假设:
　　1计算假设使卡扣偏斜的力作用在卡扣的末端。实际上偏斜力P是作用在卡扣末端的接触点上控制工程网版权所有，并且这一接触点在装配过程中是移动的。
　　2计算过程中假设变形全部发生在悬臂梁上，而未考虑卡扣端部接触位置的变形。
　　若只关注装配力CONTROL ENGINEERING China版权所有，可以根据理论公式进行计算。但是若要得到更详细的结果，例如：在装配过程中的应力、应变、装配力、位移等变化情况。则需要进行有限元建模和仿真分析。
　　5. 结论
　　卡扣装配过程中采用有限元仿真分析，相对于常用简化公式可以获得更精准的结果，并且可以动态的显示装配过程中各项参数的变化历程，可以很直观的得到卡扣在装配过程中的应力、应变、装配力、位移等变化情况。
　　本文应用有限元仿真分析方法对卡扣装配过程进行模拟，经理论计算对有限元仿真分析结果进行验证，卡扣装配力有限元仿真分析结果与理论公式计算结果误差为2.3% 。
　　文章验证了卡扣装配的有限元分析建模方法和分析结果的准确度，并为卡扣设计提供了可靠的设计依据。
　　参考文献
　　[1] 保罗R博登伯.塑料卡扣连接技术[M], 冯连勋译. 北京：化学工业出版社.2004
　　[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