隨著人們對電子車品按鍵手感的要求越來越高，傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計方法越來越滿足不了高要求的手感設(shè)計，這需要引入有限元法對手感設(shè)計進(jìn)行模擬與分析。決定手感的橡膠墊的硅膠材料是具有高度非線性的超彈性材料，而且還要考慮塑膠按鍵和橡膠鍵與導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的接觸問題，ABAQUS 軟件被認(rèn)為在非線性領(lǐng)域功能最強(qiáng)大的有限元分析軟件，所以選擇 ABAQUS 軟件對按鍵的設(shè)計進(jìn)行手感模擬。

硅膠材料的參數(shù)從單軸拉伸的應(yīng)力應(yīng)變曲線在 ABAQUS 中擬合得到，材料本構(gòu)關(guān)系是縮減多項式（N=2）。橡膠墊和塑膠按鍵的接觸采用罰函數(shù)法和罰摩擦模型。最后得到了手感的彈力行程曲線，彈力行程的曲線和實驗得到結(jié)果有很好的一致性，從而可以用模擬分析來輔助手感的改進(jìn)設(shè)計，這種設(shè)計、分析和實驗相結(jié)合的方法可為手感設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供實用方法和理論指導(dǎo)。

硅橡膠本構(gòu)關(guān)系和接觸的數(shù)值模型

1.1 硅橡膠本構(gòu)關(guān)系

橡膠材料不可壓縮的彈性材料，ABAQUS 用應(yīng)變能來表達(dá)材料應(yīng)力應(yīng)變的本構(gòu)關(guān)系。由于橡膠墊的應(yīng)變在50%以下，經(jīng)過和單軸拉伸的應(yīng)力應(yīng)變曲線的擬合采用了縮減多項式（N=2）的本構(gòu)關(guān)系：

1.2 接觸的數(shù)值模型

本文采用罰函數(shù)法和罰摩擦模型計算液壓扳手中的摩擦接觸問題。罰函數(shù)法通過法向接觸剛度強(qiáng)制接觸相容, 法向力為：

式中 Kn 為法向接觸剛度；C——根據(jù)接觸節(jié)點相對于目標(biāo)平面的位置確定的間隙值。

由于模擬理想的摩擦行為往往非常困難甚至無法收斂，所以ABAQUS會采取“彈性滑移”的罰摩擦來允許在粘著的接觸表面之間發(fā)生一個非常小的相對運動，在這個過程中，ABAQUS會自動的選擇合適的罰剛度。

有限元前處理模型的建立

2.1單個硅膠鍵有限元模型的建立

單個硅膠鍵結(jié)構(gòu)和加載的情況都是軸對稱的，所以可以把三維的硅膠鍵簡化為二維軸對稱，單元類型為CAX4H(4節(jié)點軸對稱雜交單元),節(jié)點總數(shù)為292，單元總數(shù)為244，如圖一所示。

圖一: 單個硅膠鍵的軸對稱有限元模型

2.2整個按鍵有限元模型的建立

橡膠墊采用實體單元 C3D8H(3 維 8 節(jié)點的雜交單元)。塑料按鍵很薄，厚度均勻，所以采用 4 節(jié)點的二維殼單元 S4 進(jìn)行分網(wǎng)。PCB 板按剛體處理。節(jié)點數(shù)為 6067 個，單元數(shù)為 5792 個。為了得到按鍵整體的手感情況，應(yīng)該至少選擇塑料按鍵兩個部位分別進(jìn)行加載，本文選擇了兩處（中央位置和角落位置）來評估按鍵的手感，如圖二所示。

檢查分析結(jié)果

3.1 單個硅膠鍵有限元結(jié)果與試驗結(jié)果比較

回彈力行程曲線如圖三所示，一般用三個參數(shù)來表征手感，最大回彈力F1、最小回彈力F2和手感比值（F1-F2）/ F1。最大回彈力F1是1.45N，最小回彈力F2是0.67N. 所以手感比值為53.8%。試驗得到的最大回彈力、最小回彈力和手感比值分別為1.31 N, 0.62 N and 52.7%。可以看到有限元和試驗的結(jié)果差別在可以接受的范圍之內(nèi)。

圖三:單個硅膠鍵的回彈力行程曲線

3.2 整個按鍵有限元結(jié)果與試驗結(jié)果比較

回彈力行程曲線如圖四所示。在按鍵角落處加載的情況，最大回彈力為 3.5 N，最小回彈力為 1.8 N，手感比值為 46.8%。實測最大回彈力 3.3 N，最小回彈力為 1.8 N，手感比值為 45.5%。在按鍵中央駐加載的情況，最大回彈力為 2.9 N，最小回彈力為 1.5 N，手感比值為 47.4%。實測最大回彈力為 2.7 N，最小回彈力為 1.4 N，手感比值為 48.1%?？梢钥闯?，兩處的有限元分析結(jié)果和實測結(jié)果都有很好的一致性。

圖四: 整個按鍵的回彈力行程曲線

結(jié)束語

1 本文采取的數(shù)值模型可以為手感分析提供一定的理論指導(dǎo)。

2 本文采取的有限元分析和試驗相結(jié)合的分析方法可有效的保證有限元模型的正確性，可以為手感分析提供借鑒。

3 本文應(yīng)用ABAQUS得到的計算結(jié)果和試驗結(jié)果有很好的一致性。在此基礎(chǔ)上，可以對改進(jìn)措施進(jìn)行研討以進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。這可以為手感設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供實用的方法。

資料來源：達(dá)索官方