一、背景介紹

連接結(jié)構(gòu)是產(chǎn)品中的重要部件，構(gòu)成產(chǎn)品的各個(gè)功能部件需要以各種方式連接固定在一起形成整體，以完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)功能。常見的連接形式有螺栓連接、焊接連接、鉚接連接、粘合連接、磁力連接、卡扣連接等。而卡扣連接是一種能夠降低制造成本，提高裝置效率及便利性的連接方式，特別適合在塑料件上進(jìn)行開發(fā)，廣泛應(yīng)用在塑料與塑料之間及塑料與金屬件的裝配連接上。

卡扣的類型有很多，按其形狀可劃分為：懸臂式卡扣、圓環(huán)式卡扣和球型式卡扣。

1、懸臂式卡扣：這種卡扣最常見，用途最廣泛，很多形式是以此種卡扣演變而成，如安全帶卡扣、書包扣等。

2、圓環(huán)式卡扣：常見于圓環(huán)型的產(chǎn)品，如筆筒蓋，食品盒等。

3、球型式卡扣：常見于一些類關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，如兒童玩具、手機(jī)支架等。

卡扣的結(jié)構(gòu)通常由兩個(gè)部分組成：一個(gè)是卡扣頭，另一個(gè)是卡扣槽。卡扣設(shè)計(jì)的最基本要求是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)零件之間的連接固定，要達(dá)到連接固定的效果，卡扣頭和卡扣槽的尺寸匹配顯得尤為重要。過于緊密的裝配尺寸會(huì)讓連接過程變得十分困難且易造成卡扣損壞，而過于松弛的裝配尺寸則會(huì)導(dǎo)致卡扣連接晃動(dòng)，甚至產(chǎn)生脫扣失效。

為了確?？坌阅苣軌驖M足實(shí)際應(yīng)用要求，需要進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算分析和終端應(yīng)用試驗(yàn)。一般會(huì)計(jì)算卡扣插入過程中的裝配力、最大變形量、最大內(nèi)部應(yīng)力等。采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)-分析流程，需要在卡扣設(shè)計(jì)定型之前進(jìn)行反復(fù)的尺寸調(diào)整和分析計(jì)算迭代，不僅費(fèi)時(shí)，而且費(fèi)力。而基于Simdroid多物理場(chǎng)仿真平臺(tái)開發(fā)的仿真APP，可以實(shí)現(xiàn)卡扣結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計(jì)與分析，提高產(chǎn)品研發(fā)效率。

二、仿真APP解決方案

本文以圓頭卡扣為例，介紹卡扣的分析過程和仿真APP制作方法，并基于仿真APP完成卡扣的尺寸設(shè)計(jì)。

1、仿真流程搭建

1）參數(shù)化建模。建立卡扣模型，將其關(guān)鍵設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)化。

2）材料參數(shù)設(shè)定。為卡扣和槽定義力學(xué)屬性。

3）網(wǎng)格劃分。采用二階四面體單元對(duì)模型進(jìn)行離散化。

4）約束與載荷施加。將卡扣槽底面固定，在卡扣頭頂面施加強(qiáng)制位移載荷。

5）接觸定義。定義卡扣頭和卡扣槽接觸面之間的接觸，以及卡扣頭自身因變形產(chǎn)生的自接觸。

6）求解設(shè)置。創(chuàng)建通用靜力分析步，并指定輸出場(chǎng)變量和求解并行核數(shù)。

7）計(jì)算結(jié)果。分別查看位移云圖，應(yīng)力云圖和應(yīng)變?cè)茍D。

2、仿真APP封裝

基于Simdroid平臺(tái)提供仿真APP開發(fā)環(huán)境，通過選擇和鼠標(biāo)拖拽的方式搭建卡扣分析APP界面，將卡扣的分析過程進(jìn)行封裝，開發(fā)具有尺寸設(shè)計(jì)、分析求解、結(jié)果查看完整過程的一體化仿真APP，如下圖所示。

3、基于仿真APP的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

下面基于卡扣分析APP，計(jì)算卡扣插入圓孔過程中的受力情況，并以此調(diào)整尺寸，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

初步設(shè)置一組尺寸參數(shù)，進(jìn)行分析，從計(jì)算結(jié)果可以看出：卡扣插入過程中，最大應(yīng)力達(dá)到了320MPa，超過了材料的破壞強(qiáng)度。一方面會(huì)造成卡扣裝配困難，另一方面會(huì)造成裝配過程中卡扣損壞。該組尺寸設(shè)計(jì)不合理，需要進(jìn)行調(diào)整。

修改卡扣設(shè)計(jì)尺寸，如增大開口寬度，減小頭部直徑，重新提交進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)過多次迭代，最終得到如下滿足力學(xué)要求的尺寸參數(shù)。從APP的應(yīng)力云圖可以看出卡扣裝配過程最大應(yīng)力為60MPa，滿足強(qiáng)度要求。

三、卡扣設(shè)計(jì)仿真APP應(yīng)用

• 卡扣連接在我們的日常生活中隨處可見，比如：

• 服裝和紡織品行業(yè)：常用于衣物、鞋類、帽子等的固定和裝飾，如袖口、腰帶、鞋帶等。

• 包裝行業(yè)：常用于紙箱、包裝盒等的封閉和固定，確保包裝物的安全和完整。

• 家具行業(yè)：常用于家具的組裝和固定，如書柜、衣柜、桌椅等。

• 體育用品行業(yè)：常用于運(yùn)動(dòng)器材的固定和調(diào)整，如自行車座椅、滑雪板綁帶等。

• 電子產(chǎn)品行業(yè)：常用于手機(jī)、電腦、電視等電子產(chǎn)品的組裝和固定，如電池倉(cāng)蓋、電池夾等。

• 汽車行業(yè)：常用于汽車零部件的固定和連接，如車門把手、座椅調(diào)節(jié)器等。

• 建筑行業(yè)：常用于建筑材料的安裝和固定，如天花板板材、墻面板材等。

• 醫(yī)療行業(yè)：常用于醫(yī)療器械的組裝和固定，如手術(shù)器械、醫(yī)療設(shè)備等。

針對(duì)不同的卡扣類型和拓?fù)湫螤?，都可建立與之對(duì)應(yīng)的仿真APP，將分析過程進(jìn)行封裝，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能的快速分析，完成產(chǎn)品的尺寸設(shè)計(jì)。

有了仿真APP的協(xié)助，工程師不再需要進(jìn)行繁瑣的建模與分析操作，也不需要過多關(guān)注分析原理和計(jì)算過程，就可以完成力學(xué)性能符合要求的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí)，本需要專業(yè)仿真工程師才能勝任的分析計(jì)算工作，可以部分交由設(shè)計(jì)工程師處理，減少設(shè)計(jì)部門和分析部門之間的迭代次數(shù)，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。歡迎廣大卡扣生產(chǎn)企業(yè)工程師在線使用仿真APP快速完成卡扣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，輔助產(chǎn)品研發(fā)。

在線體驗(yàn)卡扣入槽仿真APP：https://www.simapps.com/v2/engineering-app/204015

四、仿真APP賦能每一個(gè)工業(yè)品

相較于傳統(tǒng)有限元仿真軟件，基于Simdroid開發(fā)的仿真APP更加靈活輕便，用戶可以零門檻低成本、跨平臺(tái)跨終端隨時(shí)隨地訪問云平臺(tái)進(jìn)行仿真分析工作，提升產(chǎn)品研發(fā)效率。

同時(shí)，Simapps平臺(tái)也支持企業(yè)產(chǎn)商將仿真APP的在線計(jì)算界面內(nèi)嵌到官方網(wǎng)站產(chǎn)品宣傳頁，或?qū)⒎抡鍭PP的二維碼植入到產(chǎn)品介紹手冊(cè)，為需求端用戶展示產(chǎn)品的科學(xué)設(shè)計(jì)方式及產(chǎn)品性能，提供產(chǎn)品使用場(chǎng)景的仿真分析。仿真APP賦能每一個(gè)工業(yè)品，助力企業(yè)提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

五、關(guān)于Simdroid

Simdroid 是云道智造自主研發(fā)的通用多物理場(chǎng)仿真平臺(tái)，具備自主可控的隱式結(jié)構(gòu)、顯式動(dòng)力學(xué)、流體、熱、低頻電磁、高頻電磁、多體動(dòng)力學(xué)等通用求解器，支持多物理場(chǎng)耦合仿真。在統(tǒng)一友好的環(huán)境中為仿真工作者提供前處理、求解分析和后處理工具。同時(shí)，作為仿真PaaS平臺(tái)，其內(nèi)置的APP開發(fā)器支持用戶以無代碼化的方式便捷封裝參數(shù)化仿真模型及仿真流程，將仿真知識(shí)、專家經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為可復(fù)用的仿真APP。歡迎使用Simdroid平臺(tái)開發(fā)（定制）屬于您自己的仿真APP，試用下載：https://www.simapps.com/v2/tool/simdroid