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[摘 要]本文针对汽车内饰塑料圆卡扣配合结构设计问题，采用 ANSYS 有限元工具建立接触非线性大变形计算模型，分析得到不同结构参数下卡扣装拆过程中插入力、拔出力、应力等作用过程。根据计算结果拟合得到卡扣评价指标和结构参数之间的关系，详细分析了性能与结构的作用规律。
[关键词]塑料卡扣 配合 分析
中图分类号：TM855 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）07-0119-01
Study on the Design of plastic buckle fit structure for Automobile Interior
Hou Qiang
（R&D Center of Great Wall Motor Company，Automotive Engineering Techical Center of Hebei，baoding 071000）
[Abstract]In view of the structural design problem of plastic circular buckles for automobile interior decoration， the contact nonlinear large deformation calculation model is established by using ANSYS finite element tool， and the action process of insertion force， pull-out force and stress in the process of buckle assembly and disassembly under different structural parameters are analyzed. The relationship between the number and the function of the structure is analyzed in detail.
[Key words]plastic buckle； fit； analysis
卡扣是用于一个零件与另一零件的嵌入连接或整体闭锁的机构，通常用于塑料件的联接，其材料通常由具有一定柔韧性的塑料材料构成。卡扣连接最大的特点是安装拆卸方便，可以做到免工具拆卸。卡扣作为简单、快速和经济的连接形式得到越来越广泛的应用。
1、卡扣几何模型
卡扣尺寸的四瓣结构的厚度为0. 8 mm。通过 NX8. 0 建立卡扣和卡扣座的装配模型，去除小圆角等局部结构后，导入ANSYS 进行网格划分，通过控制单元长度对接触面进行加密，最终模型生成网格，网格数量为47 000 个。
1.1装配计算模型
卡扣与板筋的拆装过程涉及大变形，故选用 Sol-id185 单元类型来计算。采用接触单元TARGE170 和 CONTACT174 来模拟接触面。卡扣四瓣结构外表面和卡扣座孔内表面分别为卡扣和卡扣座的接触面。接触单元的接触刚度系数 FKN 定义是法向接触刚度的因子，卡扣装配过程为大的体积弹性变形，故FKN取 1。在数值计算接触程中，引入接触距离容差来反映接触。接触距离容限可通过修改接触单元选项特性，将Auto CNOF/ICONT adjustment中的No Auto Adjust改为Close gap，大小根据分析模型几何尺寸设置。载荷加载根据实际的卡扣装配过程进行。卡扣座固定，其外檐截面为固定约束。卡扣运动，其顶面X、Z 向位移固定，Y 向给定相应的装配和拆卸位移量。装配时，位移为负 Y 向，卡扣向下运动与卡扣座接触，卡扣的四瓣结构内陷，直到完成装配； 拆卸时，位移为 Y 的正方向，卡扣反方向返回，直到完成拆卸。整个过程设置为总时间 2 s，时间步长 0. 05 s，开启大变形模拟采用直接计算算法，载荷采用斜坡式加载，模拟出卡扣装配、拆卸整个过程。
1.2装配设计方案
卡扣的使用性能评价常用的有插入力、保持力、应力应变、扣合率等。对于选定的卡扣，影响使用性的配合结构设计因素主要有卡扣座的孔径、厚度、摩擦因数等。为了研究卡扣配合结构中不同结构参数单独对卡扣配合、拆卸中的评价指标的影响，本文采用控制变量法，研究了不同参数对卡扣使用性能的影响规律。根据卡扣实际使用工况，本文分别考察了孔径、板筋厚度和摩擦因数变化对卡扣配合性能的影响。
2、结果与讨论
2.1卡扣最大应力分析
在控制变量的多组仿真分析中，各个组别应力应变的变化过程及最大应力应变的分布呈现相似趋势。在r=4. 1 mm，d=0. 8 mm，f=0. 15条件下的正应力和剪切应力在装配和拆卸时达到最大值。
2.2卡扣座结构参数影响分析
图1为卡扣座不同厚度下插拔力、最大正应力随时间变化结果 （r=4. 3 mm，f=0. 15）。其中 0～1 s 为装配过程，1～2 s 为拔出过程。卡扣座厚度对装配及拆卸过程中的插拔力、最大应力影响不大。但厚度越小插拔力及应力有增大趋势，对于正应力更明显。可以说，卡扣座越薄，对卡扣来说更加危险。
2.3卡扣评价指标与卡扣座结构参数关联关系
为了得到最优的卡扣座结构参数，采用 Origin 数据分析软件对数据进行拟合，构建卡扣评价指标与卡扣座结构参数的关联关系，卡扣扣合率随着卡扣座板厚度不是线性变化的，随着厚度增加，卡扣的扣合率先增大后减小，在1. 2 mm处达到最大，该厚度是卡扣颈部高度的一半 ，根据拟合结果可以看出，其在 1. 1～1. 3 mm范围内可以达到较好的使用效果。随着摩擦因数的增大卡扣拔插力和保持力也随之增大，但其扣合率却会相应降低，当摩擦因数控制在 0. 2 以内，可以保证扣合率在 1. 5 以上。卡扣座孔径过大过小，也都不利于卡扣的使用，其最佳扣合率在孔径为 8. 9 mm的位置，该孔径值是卡扣扣合部分最大直径的 93. 5%，通过拟合数据可以看出，8. 6～9. 2mm 范围内可以达到较好的使用效果。
3、结论
1） 卡扣扣合率随着卡扣座板厚度不是线性变化的，随着厚度增加，卡扣的扣合率先增大后减小，在1. 2 mm 处达到最大，该厚度值是卡扣颈部高度的一半。根据拟合关系得到，座板厚度在 1. 1～1. 3 mm 范围内可以达到较好的使用效果。
2） 卡扣座孔径过大过小，也都不利于卡扣的使用，其最佳扣合率在孔径为 8. 9 mm 的位置，该孔径值是卡扣扣合部分最大直径的93. 5%，根据拟合数据得到，孔径在 8. 6～9. 2 mm 范围内时卡扣配合可以达到较好的使用效果。
3） 随着摩擦因数的增大卡扣拔插力和保持力也随之增大，但其扣合率却会相应降低，当摩擦因数控制在 0. 2 以内，卡扣配合可以达到较好的使用效果。
4） 在卡扣装拆过程中，四瓣结构的上端和下端为应力集中位置，应注意强化这两处的结构，增加卡扣装配的可靠性。
参考文献
[1]于海华.悬臂钩卡扣装配有限元分析及优化设计[M].南京： 南京理工大学，2009： 1-3.
[2]赵继元.塑料卡扣的特點及在汽车上的应用[J].科技创新导报，2011，（30）.
[关键词]塑料卡扣 配合 分析
中图分类号：TM855 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）07-0119-01
Study on the Design of plastic buckle fit structure for Automobile Interior
Hou Qiang
（R&D Center of Great Wall Motor Company，Automotive Engineering Techical Center of Hebei，baoding 071000）
[Abstract]In view of the structural design problem of plastic circular buckles for automobile interior decoration， the contact nonlinear large deformation calculation model is established by using ANSYS finite element tool， and the action process of insertion force， pull-out force and stress in the process of buckle assembly and disassembly under different structural parameters are analyzed. The relationship between the number and the function of the structure is analyzed in detail.
[Key words]plastic buckle； fit； analysis
卡扣是用于一个零件与另一零件的嵌入连接或整体闭锁的机构，通常用于塑料件的联接，其材料通常由具有一定柔韧性的塑料材料构成。卡扣连接最大的特点是安装拆卸方便，可以做到免工具拆卸。卡扣作为简单、快速和经济的连接形式得到越来越广泛的应用。
1、卡扣几何模型
卡扣尺寸的四瓣结构的厚度为0. 8 mm。通过 NX8. 0 建立卡扣和卡扣座的装配模型，去除小圆角等局部结构后，导入ANSYS 进行网格划分，通过控制单元长度对接触面进行加密，最终模型生成网格，网格数量为47 000 个。
1.1装配计算模型
卡扣与板筋的拆装过程涉及大变形，故选用 Sol-id185 单元类型来计算。采用接触单元TARGE170 和 CONTACT174 来模拟接触面。卡扣四瓣结构外表面和卡扣座孔内表面分别为卡扣和卡扣座的接触面。接触单元的接触刚度系数 FKN 定义是法向接触刚度的因子，卡扣装配过程为大的体积弹性变形，故FKN取 1。在数值计算接触程中，引入接触距离容差来反映接触。接触距离容限可通过修改接触单元选项特性，将Auto CNOF/ICONT adjustment中的No Auto Adjust改为Close gap，大小根据分析模型几何尺寸设置。载荷加载根据实际的卡扣装配过程进行。卡扣座固定，其外檐截面为固定约束。卡扣运动，其顶面X、Z 向位移固定，Y 向给定相应的装配和拆卸位移量。装配时，位移为负 Y 向，卡扣向下运动与卡扣座接触，卡扣的四瓣结构内陷，直到完成装配； 拆卸时，位移为 Y 的正方向，卡扣反方向返回，直到完成拆卸。整个过程设置为总时间 2 s，时间步长 0. 05 s，开启大变形模拟采用直接计算算法，载荷采用斜坡式加载，模拟出卡扣装配、拆卸整个过程。
1.2装配设计方案
卡扣的使用性能评价常用的有插入力、保持力、应力应变、扣合率等。对于选定的卡扣，影响使用性的配合结构设计因素主要有卡扣座的孔径、厚度、摩擦因数等。为了研究卡扣配合结构中不同结构参数单独对卡扣配合、拆卸中的评价指标的影响，本文采用控制变量法，研究了不同参数对卡扣使用性能的影响规律。根据卡扣实际使用工况，本文分别考察了孔径、板筋厚度和摩擦因数变化对卡扣配合性能的影响。
2、结果与讨论
2.1卡扣最大应力分析
在控制变量的多组仿真分析中，各个组别应力应变的变化过程及最大应力应变的分布呈现相似趋势。在r=4. 1 mm，d=0. 8 mm，f=0. 15条件下的正应力和剪切应力在装配和拆卸时达到最大值。
2.2卡扣座结构参数影响分析
图1为卡扣座不同厚度下插拔力、最大正应力随时间变化结果 （r=4. 3 mm，f=0. 15）。其中 0～1 s 为装配过程，1～2 s 为拔出过程。卡扣座厚度对装配及拆卸过程中的插拔力、最大应力影响不大。但厚度越小插拔力及应力有增大趋势，对于正应力更明显。可以说，卡扣座越薄，对卡扣来说更加危险。
2.3卡扣评价指标与卡扣座结构参数关联关系
为了得到最优的卡扣座结构参数，采用 Origin 数据分析软件对数据进行拟合，构建卡扣评价指标与卡扣座结构参数的关联关系，卡扣扣合率随着卡扣座板厚度不是线性变化的，随着厚度增加，卡扣的扣合率先增大后减小，在1. 2 mm处达到最大，该厚度是卡扣颈部高度的一半 ，根据拟合结果可以看出，其在 1. 1～1. 3 mm范围内可以达到较好的使用效果。随着摩擦因数的增大卡扣拔插力和保持力也随之增大，但其扣合率却会相应降低，当摩擦因数控制在 0. 2 以内，可以保证扣合率在 1. 5 以上。卡扣座孔径过大过小，也都不利于卡扣的使用，其最佳扣合率在孔径为 8. 9 mm的位置，该孔径值是卡扣扣合部分最大直径的 93. 5%，通过拟合数据可以看出，8. 6～9. 2mm 范围内可以达到较好的使用效果。
3、结论
1） 卡扣扣合率随着卡扣座板厚度不是线性变化的，随着厚度增加，卡扣的扣合率先增大后减小，在1. 2 mm 处达到最大，该厚度值是卡扣颈部高度的一半。根据拟合关系得到，座板厚度在 1. 1～1. 3 mm 范围内可以达到较好的使用效果。
2） 卡扣座孔径过大过小，也都不利于卡扣的使用，其最佳扣合率在孔径为 8. 9 mm 的位置，该孔径值是卡扣扣合部分最大直径的93. 5%，根据拟合数据得到，孔径在 8. 6～9. 2 mm 范围内时卡扣配合可以达到较好的使用效果。
3） 随着摩擦因数的增大卡扣拔插力和保持力也随之增大，但其扣合率却会相应降低，当摩擦因数控制在 0. 2 以内，卡扣配合可以达到较好的使用效果。
4） 在卡扣装拆过程中，四瓣结构的上端和下端为应力集中位置，应注意强化这两处的结构，增加卡扣装配的可靠性。
参考文献
[1]于海华.悬臂钩卡扣装配有限元分析及优化设计[M].南京： 南京理工大学，2009： 1-3.
[2]赵继元.塑料卡扣的特點及在汽车上的应用[J].科技创新导报，2011，（30）.