加工中心夾具裝夾變形分析過(guò)程
裝夾變形分析過(guò)程4.3.1夾具裝夾有限元分析步驟及分類(lèi)加工中心夾具裝夾的有限元分析基本步驟和其他類(lèi)型的結(jié)構(gòu)分析基本一致。大致可分 成三個(gè)階段，前置處理、分析處理及后置處理。在實(shí)際的分析中，可根據(jù)分析對(duì)象，分析 問(wèn)題的方向等因素確定分析流程，在結(jié)構(gòu)分析中，分析步驟流程大致是相同的，具體步驟 見(jiàn)圖4.2由于加工中心的類(lèi)別不同，夾持的工件種類(lèi)的不同及加工時(shí)的運(yùn)動(dòng)方式不同，例如 銑削平面、軸類(lèi)加工。這就使得在進(jìn)行這類(lèi)分析變形時(shí)應(yīng)考慮多方面因素，選取不同的求 解方向及思路。步驟上以上述三個(gè)階段流程為基本路線(xiàn)，在具體的求解要求中根據(jù)不同類(lèi) 別及需要做具體的調(diào)整，本人針對(duì)涉及到的加工中心夾具庫(kù)資源，將該類(lèi)夾具分為回轉(zhuǎn)類(lèi) 和非冋轉(zhuǎn)類(lèi)。這兩類(lèi)分析的方向是不同的，具體如下：①回轉(zhuǎn)類(lèi)的加工中心夾具通常夾具體通過(guò)動(dòng)力機(jī)構(gòu)被吸附在機(jī)床上，所加持的零件往 往不是動(dòng)力夾緊，這種情況下計(jì)算夾緊力的參考數(shù)據(jù)是沒(méi)有意義的，但在回轉(zhuǎn)類(lèi)零件加工 時(shí)，工件隨著夾具一同運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性及振動(dòng)特性對(duì)夾具設(shè)計(jì)及實(shí)際加工是非常重要 的。針對(duì)這類(lèi)情況，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析得出結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性，在設(shè)計(jì)之前避免結(jié)構(gòu)之間可能 引起的共振，位給加工回轉(zhuǎn)速度提供數(shù)據(jù)參考。②非回轉(zhuǎn)類(lèi)的加工中心夾具我們分析的要求是得到一個(gè)******夾緊力的參考值，因而我 們對(duì)載荷與變形的關(guān)系比較關(guān)心。在這類(lèi)分析時(shí)，實(shí)際情況比較多，影響分析判斷的因素 也很多。具體地說(shuō)，當(dāng)夾具體的夾緊元件存在細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)或者壓縮結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)考慮對(duì)其進(jìn)行 屈曲失穩(wěn)分析；當(dāng)夾緊元件的結(jié)構(gòu)不規(guī)則或者是材料屬于超彈性材料時(shí)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu) 非線(xiàn)性分析：在分析過(guò)程中，夾緊必然會(huì)導(dǎo)致兩者的接觸，接觸的類(lèi)型判斷影響著分析方 向的判斷，因此在對(duì)這類(lèi)夾具進(jìn)行有限元分析之前，必須搞清楚這些問(wèn)題，才能準(zhǔn)確的把 握分析方向。4.3. 2實(shí)例分析本文以上文所提到的加工中心夾具所夾持的某道工序上的零件為例，具體闡述有限元 變形分析的步驟，對(duì)實(shí)際裝夾情況下出現(xiàn)的微變形進(jìn)行仿真。此實(shí)例涉及夾具體不屬于回轉(zhuǎn)類(lèi)，且?jiàn)A緊元件非細(xì)長(zhǎng)桿，夾具的結(jié)構(gòu)規(guī)則，材料非超 彈性，在接觸類(lèi)型上屬于綁定類(lèi)，因此分析的要求是變形與載荷的關(guān)系，屬于線(xiàn)性變形分 析。⑴幾何模型的建立在Ansys中有兩種獲取幾何模型的方式，分別是利用自身DesignModeler功能創(chuàng)建模 型；導(dǎo)入其他軟件的模型，如NX、CATIA、ProE等CAD軟件，不過(guò)在第三方軟件導(dǎo)入 時(shí)候有格式的要求，這些文件必須是Iges、Step、Parasolid、X_T格式中的一種，否則不 能將模型導(dǎo)入Ansys進(jìn)行分析計(jì)算[411。此外，從第三方導(dǎo)入的文件如果在安裝時(shí)沒(méi)有設(shè) 定于Ansys接合，那么此文件與原來(lái)第三方文件則無(wú)關(guān)聯(lián)性。若想使CAD軟件的模型與 導(dǎo)入DesignModeler中的模型依然保持關(guān)聯(lián)性，即二者可以相互刷新、協(xié)同建模，則需要 將DesignModeler嵌入主流CAD中。此類(lèi)本文采用導(dǎo)入外部模型方式獲取幾何模型。第三方軟件依然是NX5.0。在NX中， 導(dǎo)出文件的格式類(lèi)型有Iges、Step兩種可以嵌入Ansys的類(lèi)型。其中Iges格式的文件被 導(dǎo)出后默認(rèn)刪除了其他參數(shù)及特征幾何，只保留實(shí)體特征，在Ansys中不顯示實(shí)體，不 符合需要做分析的要求，因此采用輸出Step文件格式類(lèi)型。本實(shí)例采用Step格式的裝配體文件，如圖4.3所示該裝配體主要是為了模擬夾具夾持工件過(guò)程，左右是兩個(gè)不同的V型塊，通過(guò)一定 的載荷使得工件自由度受到限制。分析在一定的變形范圍內(nèi)******的夾緊力數(shù)據(jù)。啟動(dòng)AnsysU-Workbench,進(jìn)入后先保存文件再關(guān)閉信息框，這是因?yàn)橄到y(tǒng)通常會(huì)把 所有的數(shù)據(jù)放在一個(gè)文件里，為了方便管理，故先進(jìn)行保存以自動(dòng)生成數(shù)據(jù)文件夾。將 Workbench左側(cè)的Geomertey模塊拖入空白處，出現(xiàn)名為A的Geomertey塊。選中A2后 選擇模型路徑進(jìn)行導(dǎo)入。過(guò)程如圖4.4所示導(dǎo)入后對(duì)模型單位進(jìn)行過(guò)定義，該模型定義單位為mm。之后建立結(jié)構(gòu)分析項(xiàng)，將 Static Structural拖入A塊，并設(shè)定結(jié)構(gòu)分析項(xiàng)為3D類(lèi)型。(2)模型材料的選取本實(shí)例涉及三個(gè)部件，兩種材料，兩個(gè)V塊材料一致。確定各部件的名稱(chēng)后開(kāi)始加 材料特性，即彈性模量和泊松比。在Engineering Date中添加所需材料，選取所需修改項(xiàng), 在彈出的對(duì)話(huà)框中輸入材料參數(shù)，彈性模量為5El〗Pa，泊松比為0.28。工件材料選取默 認(rèn)結(jié)構(gòu)鋼。過(guò)程如圖4.6所示圖4. 6材料添加及選取由于本模型是裝配體，所有必須對(duì)模型之間的接觸進(jìn)行定義。在ansys】2-workbench 中，接觸類(lèi)型有5中:綁定（Bounded)、不分離（No Separation)、光滑無(wú)摩擦（Frictionless)、 粗糙（Rough)、摩擦（Frictional)。如圖4.7所示 表4. 15種接觸類(lèi)型特點(diǎn) 接觸類(lèi)型 迭代次數(shù) 法向分離 切向滑動(dòng) 綁定 一次 無(wú)間隙 不能滑動(dòng) 不分離 --次 無(wú)間隙 允許滑動(dòng) 光滑無(wú)摩擦 多次 允許有間隙 允許滑動(dòng) 袓糙 多次 允許有間隙 不能滑動(dòng) )學(xué)擦 多次 允許冇間隙 允許滑動(dòng) 本實(shí)例的接觸是V塊的面與圓柱面的接觸，在切向不能滑動(dòng)，法向不能分離，屬于 綁定接觸類(lèi)型，所以將接觸類(lèi)型設(shè)定為綁定。(3)網(wǎng)格劃分不同于經(jīng)典版本的Ansys，在workbench中，網(wǎng)格劃分是一個(gè)獨(dú)立的求解工具，根據(jù) 不同求解需要?jiǎng)澐植煌?lèi)型的網(wǎng)格，網(wǎng)格的劃分質(zhì)量對(duì)分析結(jié)果影響很大，因此這是有限 元分析中很關(guān)鍵的一個(gè)步驟。Workbench提供兩大類(lèi)文件類(lèi)型，分別是計(jì)算流體力學(xué)網(wǎng)格 和有限元網(wǎng)格。本文所要進(jìn)行的分析對(duì)象是機(jī)械結(jié)構(gòu)，要?jiǎng)澐值木W(wǎng)格文件類(lèi)型屬于有限元 網(wǎng)格類(lèi)型的范疇。對(duì)于三維幾何體，軟件提供5種不同的劃分網(wǎng)格法。四面體網(wǎng)格劃分法：針對(duì)三維網(wǎng)格的這幾種方法中，四面體劃分是相對(duì)最容易的。在 Ansysl2-workbench中四面體網(wǎng)格生成基于兩種方法，一種是混合網(wǎng)格算法，這種算法生 成網(wǎng)格的特點(diǎn)是考慮了幾何體上的面及邊界，在同一幾何體上可以有不同的網(wǎng)格類(lèi)型；另 一種是利用四面體網(wǎng)格劃分器算法，這種算法對(duì)于幾何體上的面及邊界等的影響可能被忽 略，即粗糙的網(wǎng)格可能會(huì)忽略幾何體表面的細(xì)節(jié)。掃掠法:劃分對(duì)象必須是可掃掠的規(guī)則幾何體，主要產(chǎn)生六面體網(wǎng)格或者棱柱形網(wǎng)格。自動(dòng)劃分法：該方法實(shí)際上結(jié)合了四面體和掃掠型法，被劃分的網(wǎng)格形狀取決于結(jié)構(gòu) 是否規(guī)則。如結(jié)構(gòu)規(guī)則可被掃掠則生六面體，反之則生成四面體網(wǎng)格。Hex-Dominant:該方法在一個(gè)結(jié)構(gòu)的表面和內(nèi)部產(chǎn)生不同的網(wǎng)格類(lèi)型，模型的外面生 成六面體單元，里面為四面體單元。這種方法適用于塊狀的幾何體，對(duì)于細(xì)長(zhǎng)類(lèi)幾何體并 不適用。多域法：主要用來(lái)劃分六面體網(wǎng)格，特點(diǎn)是具有幾何體自動(dòng)分解的功能，無(wú)需將對(duì)象 切成規(guī)則體來(lái)掃掠產(chǎn)生六面體網(wǎng)格。結(jié)合這幾種三維實(shí)體劃分法的適用范圍，以及模型的特點(diǎn)，本文將分別使用四面體網(wǎng) 格劃分法、掃掠法、自動(dòng)劃分法分別對(duì)工件、V塊1、V塊2進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分結(jié)果如 圖4.8所示圖4. 8網(wǎng)格劃分(4)添加約束條件為V型塊相向加載0.025mm的位移量，將V塊的橫向自由度加以限制，在橫向方向 上輸入0即可將此方向自由度限制。在工件上兩圓柱結(jié)構(gòu)之間的平面設(shè)定為固定約束。過(guò) 程如圖4.9所示圖4. 9添加位移約束(5)求解及后處理結(jié)果點(diǎn)擊Solution (B6)切換到求解環(huán)境，點(diǎn)擊Solve按鈕進(jìn)行求解。在結(jié)果（solution) 中插入變形 Deformation-total、等效應(yīng)力 Equivalent Stress、支反力 Force Reaction。并設(shè) 定變形計(jì)應(yīng)力對(duì)象只為工件。點(diǎn)擊Solve按鈕進(jìn)行求解，結(jié)果如圖4.10、4.11、4.12所示圖4. 10工件變形圖圖4. 11等效應(yīng)力圖在結(jié)果的變形中插入X方向支反力并計(jì)算。執(zhí)行Sohition-Insert-Probe-Force Reaction命令，再在詳細(xì)欄中確定為位移（Displacement)，如圖4.12所示圖4. 12支反力數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果為在X方向上******變形對(duì)應(yīng)的作用力為3914.2N,由于是在實(shí)際夾持過(guò) 程中，兩側(cè)同時(shí)夾緊工件，而因工件收到的力與反作用力大小相等、方向相反的原理，可 以得出夾緊元件的夾緊力不能超過(guò)******支反力，否則造成工件由于夾緊力過(guò)大而報(bào)廢。本實(shí)例分析可以作為一個(gè)夾緊力與工件變形的一個(gè)縮影，意在于通過(guò)新的方法對(duì)動(dòng)力 源加工中心夾緊的夾緊進(jìn)行優(yōu)化控制。