基于有限元的拉链平拉强力与结构敏感性分析

邹文斌，黄 鸿，高秀忠，杨永泰

（1.中国科学院海西研究院泉州装备制造研究所，福建 泉州 362216;2.福建浔兴拉链科技股份有限公司，福建 泉州 362246）

随着社会经济和科学技术的发展，拉链逐渐由单一类型向多样化多功能转化，越来越广泛地应用于服装、鞋帽、包装袋、帐篷、军工和医疗卫生等各领域。据相关调查，我国拉链行业的生产能力已经能够满足全球拉链需求量，大约有50%的产能没有释放出来[1]。众多国产知名拉链品牌，包括排名世界第二的福建浔兴拉链，却始终只能游离于中低端市场，全球高端和奢侈品市场几乎被日本的YKK 和瑞士的RIRI 给垄断[2-3]。国内拉链品牌想要打破市场格局，必须提高产品质量，增加企业产品技术研发的投入[4]。

拉链的平拉强力是拉链物理性能的重要评判指标之一。目前国内的拉链设计生产工作主要基于工程师的经验开展，存在需要多次往复迭代试错的弊端。而有限元仿真技术在该领域尚未得到有效应用开发。

有限元仿真技术是用数学模型和方程来模拟真实世界的方法，在航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源和科学研究等多个领域正在发挥着重要的作用[5-6]。在拉链领域，孙一鹏[7]曾提出用有限元仿真技术手段来优化拉链链牙的牙坯轧制工艺。姚俊峰等[8]曾提出开发拉链设计仿真系统，该系统可根据输入的设计参数快速获取拉链的部分物理性能，然而该系统不是基于有限元仿真技术，因此计算精度不高，且实用性不强。通过搭接拉链的力学模型仿真，才能从力学理论的角度出发准确评估设计方案的物理性能，它能为拉链设计者和生产者提供重要的理论指导。

一些国内拉链企业的产品设计主要以经验为主，技术研发力量也不足，影响了产品技术与质量的提高。至今，用有限元方法模拟拉链拉合效果、预测和验证其力学性能以指导产品设计的方法，在国内尚未有先例。该技术的难点在于拉链模型结构复杂，相关参数存在不确定性，链牙和布带不同材料之间连接简化问题和模型的仿真计算准确性问题等。本研究选用有限元高级仿真软件Abaqus 来仿真拉链的平拉强力测试工况，以分析链牙相关结构参数对平拉强力的影响。

1 有限元建模及接触分析

1.1 金属拉链结构

拉链是依靠连续排列的链牙，使物品并合或分离的连接件，主要由链牙、拉头、布带和上下止等组成。拉链的链牙材质可以是尼龙、金属或者塑钢等，通过连续排列在由涤纶纱纺织而成的布带上从而形成链带。因此，拉链按材料分类有尼龙拉链、金属拉链和塑钢拉链等。拉链型号与链牙大小成正比，通过拉链闭合后宽度（拉链合宽）来定义。本试验以5 号金属拉链为研究对象。

拉链链牙类似汤勺状，汤勺底部能与另一条布带上相对的汤勺内部相匹配。拉头内部设计有一个“Y”型槽，当拉头往复移动时，两条链带上的链牙可以在“Y”型导槽的作用下依次啮合或者分离。上下止的尺寸超过拉头的口高，因此可以避免拉头从链带上滑出。

平拉强力是在拉链拉合后（拉链牙互锁状态下）抵抗横向拉扯的力，它主要受布带与链牙的连接、链牙与链牙之间的咬合两部分的影响。

1.2 金属拉链的有限元模型

参考金属拉链的国家标准，截取合链状态下长度为75mm 的拉链段进行有限元建模。拉链整体和局部网格示意图如图1 所示，其中链牙使用四面体网格划分，单个链牙划分为3092 个单元，单元平均尺寸为0.20mm，在尺寸较小位置最小单元尺寸为0.05mm，模型中总共有59 个链牙；布带使用六面体网格划分，单元尺寸为0.30mm，共计42560 个单元。

图1 拉链整体和局部网格示意图

模型主要由黄铜合金制的链牙、尼龙布带和布带内的布筋构成，材料参数如表1 所示。根据材料测试的结果，黄铜合金的屈服强度取450 MPa，抗拉强度取700 MPa。

表1 材料参数

拉链平拉强力的模拟过程需要处理复杂的接触关系，其中包括链牙与链牙之间的接触以及链牙与布带之间的接触。本研究采用通用接触定义，布带与链牙间在平拉强度仿真中采用摩擦系数0.2，链牙间的摩擦系数取0.1。

仿真工况参照平拉强力的测试标准，即通过25mm 的夹具夹取布带中部，一边约束1～6 自由度，另一边对夹具施加速度为5mm/s 的匀速载荷。为了权衡计算效率以及计算精度，调用显式求解器进行准静态分析。

1.3 求解器选择

有限元数值解法可分为显式算法和隐式算法。显式算法采用中心差分法[9]，不需要构造和求解刚度矩阵，因而不存在结果不收敛问题。对于求解动态效应强烈的大型接触碰撞问题，显式算法较为合适。平拉强力的仿真模型具有网格数量多、接触复杂等特点，因此该模型采用显式算法进行准静态分析。

针对接触问题的求解，在计算过程中软件会根据设定的接触阈值进行接触点的搜寻[10]，模型中处于接触状态的主从节点将进入接触状态，接触力的计算是通过罚函数接触算法计算而来[11]。通过定义界面之间的法向和切向刚度来将接触的非线性问题转化为材料的非线性，从而可以模拟接触过程是力学状态。

1.4 接触分析

1.4.1 链牙接触对

为了聚焦到链牙在接触过程中的啮合接触关系，后处理过程中选择单一对链牙进行观察分析，从计算结果可以发现在平拉过程中，链牙之间的接触主要发生在牙头的内角和牙槽的外角之间，接触位置和接触应力如图2～3 所示。随平拉力的加大，链牙会出现上下乃至旋转的运动，最后导致接触点移位，两侧链牙相互脱开。

图2 链牙对接触位置

图3 链牙接触应力云图

1.4.2 链牙与布带接触对

布带和链牙之间的接触类似于咬合接触，是通过链牙的牙腿卡在布带里面才得以实现的。选取一对链牙以及与之连接的布带作为研究对象，初始状态链牙是咬合状态，如图4 所示，随着平拉强力的逐步增加，链牙的牙腿和布带的布筋部分会有脱开的趋势，且牙腿也趋向于张开，接触位置出现在布筋的根部，如图5所示。

图4 链牙对接触位置

图5 链牙接触应力云图

从接触部位以及接触应力云图可以看到，拉链的平拉强力峰值主要取决于布筋对于牙腿的咬合力以及链牙之间的啮合力，二者之间的较小值即为拉链的平拉强力。因此，对于平拉强力的模拟分析可以根据链带的初始脱开形式来确定优化方向。

1.5 仿真结果

通过有限元仿真计算对5 号金属拉链的平拉强力工况进行模拟仿真，计算结果显示，初始方案的平拉强力计算结果为823.5N。通过观察在不同时间点的接触状态，可以发现链带的拉脱主要开始于平拉过程中的链牙间平动或者转动，从而导致接触失稳致使整条链带崩开拉脱。仿真结果如图6 所示。

图6 平拉强力仿真结果

2 金属拉链平拉强力测试方法及模型验证

2.1 金属拉链平拉强力测试方法

按照国家标准《QB/T 2171-2014 金属拉链》的要求，设置测试参数如下。

测试设备：材料拉伸试验机

测试范围：2000N

测试速度：300±10mm/min

测试设备精度：±0.5%FS

夹具尺寸：宽度25.0mm，夹具内表面带有防滑齿形，齿形夹角60°，间距1.5mm，齿顶宽度0.2mm。

测试步骤：取一条长度为75mm 的5 号金属拉链样本，使用上述夹具调整至合适间距并在拉链中间位置上下对齐夹紧，如图7 所示。启动拉伸试验机，开始平拉强力测试，拉伸至脱牙或者布带破损，所测得的最大拉力值即为平拉强力值。

图7 平拉强力测试方法

2.2 实验测试结果与仿真结果对比分析

测试结果显示，目前平拉强力主要的拉脱失效形式在于链牙咬合力不足，导致平拉过程中链牙与布筋的咬合失稳，出现链牙间的平动或者转动，从而链带崩开拉脱，图8 为测试后的失效拉链。测试结果从拉脱形式到平拉强力值均与仿真结果具有非常高的匹配度，图9 为对比有限元计算结果和测试结果的平拉强力曲线。

图8 平拉强力测试拉链失效图

图9 有限元计算结果和平拉强力测试结果

平拉强力的测试值为802.3N，相比于仿真值823.5N 存在2.6%的偏差，并且仿真和实验在拉脱的时间点也高度一致，都在1.35s 附近出现拉脱现象。总体上仿真与实验结果的吻合度非常高，在验证了有限元仿真准确性的同时，也证明了有限元仿真技术在拉链物理性能仿真中应用的可行性。

3 结语

3.1 通过对比拉链平拉强力工况的有限元仿真结果、物理实验结果的失效形式和平拉强力值，验证了二者具有极高的吻合度，也证明了有限元仿真技术在拉链物理性能仿真的工程应用中具有可行性。

3.2 通过有限元仿真软件的可视化后处理，可确定拉链平拉过程中的接触位置，并发现链带咬合脱开的初始位置。其中链牙之间的啮合接触以及链牙牙腿与布带的咬合接触是直接影响平拉强力值的两个接触对。通过改变链牙的相关几何尺寸可优化接触位置的稳定性，进而提高平拉强力值。

3.3 基于该项目的开展证明了有限元仿真技术在拉链物理性能仿真的可行性，针对拉链的新产品研发也使得基于仿真技术的产品研发流程可缩短研发周期，降低研发成本，提升产品质量。