加工中心夾具裝夾變形分析過程
裝夾變形分析過程4.3.1夾具裝夾有限元分析步驟及分類加工中心夾具裝夾的有限元分析基本步驟和其他類型的結構分析基本一致。大致可分 成三個階段，前置處理、分析處理及后置處理。在實際的分析中，可根據分析對象，分析 問題的方向等因素確定分析流程，在結構分析中，分析步驟流程大致是相同的，具體步驟 見圖4.2由于加工中心的類別不同，夾持的工件種類的不同及加工時的運動方式不同，例如 銑削平面、軸類加工。這就使得在進行這類分析變形時應考慮多方面因素，選取不同的求 解方向及思路。步驟上以上述三個階段流程為基本路線，在具體的求解要求中根據不同類 別及需要做具體的調整，本人針對涉及到的加工中心夾具庫資源，將該類夾具分為回轉類 和非冋轉類。這兩類分析的方向是不同的，具體如下：①回轉類的加工中心夾具通常夾具體通過動力機構被吸附在機床上，所加持的零件往 往不是動力夾緊，這種情況下計算夾緊力的參考數據是沒有意義的，但在回轉類零件加工 時，工件隨著夾具一同運動，回轉的穩定性及振動特性對夾具設計及實際加工是非常重要 的。針對這類情況，對其進行模態分析得出結構振動特性，在設計之前避免結構之間可能 引起的共振，位給加工回轉速度提供數據參考。②非回轉類的加工中心夾具我們分析的要求是得到一個最佳夾緊力的參考值，因而我 們對載荷與變形的關系比較關心。在這類分析時，實際情況比較多，影響分析判斷的因素 也很多。具體地說，當夾具體的夾緊元件存在細長結構或者壓縮結構時，應考慮對其進行 屈曲失穩分析；當夾緊元件的結構不規則或者是材料屬于超彈性材料時，應對其進行結構 非線性分析：在分析過程中，夾緊必然會導致兩者的接觸，接觸的類型判斷影響著分析方 向的判斷，因此在對這類夾具進行有限元分析之前，必須搞清楚這些問題，才能準確的把 握分析方向。4.3. 2實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，對實際裝夾情況下出現的微變形進行仿真。此實例涉及夾具體不屬于回轉類，且夾緊元件非細長桿，夾具的結構規則，材料非超 彈性，在接觸類型上屬于綁定類，因此分析的要求是變形與載荷的關系，屬于線性變形分 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功能創建模 型；導入其他軟件的模型，如NX、CATIA、ProE等CAD軟件，不過在第三方軟件導入 時候有格式的要求，這些文件必須是Iges、Step、Parasolid、X_T格式中的一種，否則不 能將模型導入Ansys進行分析計算[411。此外，從第三方導入的文件如果在安裝時沒有設 定于Ansys接合，那么此文件與原來第三方文件則無關聯性。若想使CAD軟件的模型與 導入DesignModeler中的模型依然保持關聯性，即二者可以相互刷新、協同建模，則需要 將DesignModeler嵌入主流CAD中。此類本文采用導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， 導出文件的格式類型有Iges、Step兩種可以嵌入Ansys的類型。其中Iges格式的文件被 導出后默認刪除了其他參數及特征幾何，只保留實體特征，在Ansys中不顯示實體，不 符合需要做分析的要求，因此采用輸出Step文件格式類型。本實例采用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程，左右是兩個不同的V型塊，通過一定 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最大的夾緊力數據。啟動AnsysU-Workbench,進入后先保存文件再關閉信息框，這是因為系統通常會把 所有的數據放在一個文件里，為了方便管理，故先進行保存以自動生成數據文件夾。將 Workbench左側的Geomertey模塊拖入空白處，出現名為A的Geomertey塊。選中A2后 選擇模型路徑進行導入。過程如圖4.4所示導入后對模型單位進行過定義，該模型定義單位為mm。之后建立結構分析項，將 Static Structural拖入A塊，并設定結構分析項為3D類型。(2)模型材料的選取本實例涉及三個部件，兩種材料，兩個V塊材料一致。確定各部件的名稱后開始加 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, 在彈出的對話框中輸入材料參數，彈性模量為5El〗Pa，泊松比為0.28。工件材料選取默 認結構鋼。過程如圖4.6所示圖4. 6材料添加及選取由于本模型是裝配體，所有必須對模型之間的接觸進行定義。在ansys】2-workbench 中，接觸類型有5中:綁定（Bounded)、不分離（No Separation)、光滑無摩擦（Frictionless)、 粗糙（Rough)、摩擦（Frictional)。如圖4.7所示 表4. 15種接觸類型特點 接觸類型 迭代次數 法向分離 切向滑動 綁定 一次 無間隙 不能滑動 不分離 --次 無間隙 允許滑動 光滑無摩擦 多次 允許有間隙 允許滑動 袓糙 多次 允許有間隙 不能滑動 )學擦 多次 允許冇間隙 允許滑動 本實例的接觸是V塊的面與圓柱面的接觸，在切向不能滑動，法向不能分離，屬于 綁定接觸類型，所以將接觸類型設定為綁定。(3)網格劃分不同于經典版本的Ansys，在workbench中，網格劃分是一個獨立的求解工具，根據 不同求解需要劃分不同類型的網格，網格的劃分質量對分析結果影響很大，因此這是有限 元分析中很關鍵的一個步驟。Workbench提供兩大類文件類型，分別是計算流體力學網格 和有限元網格。本文所要進行的分析對象是機械結構，要劃分的網格文件類型屬于有限元 網格類型的范疇。對于三維幾何體，軟件提供5種不同的劃分網格法。四面體網格劃分法：針對三維網格的這幾種方法中，四面體劃分是相對最容易的。在 Ansysl2-workbench中四面體網格生成基于兩種方法，一種是混合網格算法，這種算法生 成網格的特點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格類型；另 一種是利用四面體網格劃分器算法，這種算法對于幾何體上的面及邊界等的影響可能被忽 略，即粗糙的網格可能會忽略幾何體表面的細節。掃掠法:劃分對象必須是可掃掠的規則幾何體，主要產生六面體網格或者棱柱形網格。自動劃分法：該方法實際上結合了四面體和掃掠型法，被劃分的網格形狀取決于結構 是否規則。如結構規則可被掃掠則生六面體，反之則生成四面體網格。Hex-Dominant:該方法在一個結構的表面和內部產生不同的網格類型，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，對于細長類幾何體并 不適用。多域法：主要用來劃分六面體網格，特點是具有幾何體自動分解的功能，無需將對象 切成規則體來掃掠產生六面體網格。結合這幾種三維實體劃分法的適用范圍，以及模型的特點，本文將分別使用四面體網 格劃分法、掃掠法、自動劃分法分別對工件、V塊1、V塊2進行網格劃分。劃分結果如 圖4.8所示圖4. 8網格劃分(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。在工件上兩圓柱結構之間的平面設定為固定約束。過 程如圖4.9所示圖4. 9添加位移約束(5)求解及后處理結果點擊Solution (B6)切換到求解環境，點擊Solve按鈕進行求解。在結果（solution) 中插入變形 Deformation-total、等效應力 Equivalent Stress、支反力 Force Reaction。并設 定變形計應力對象只為工件。點擊Solve按鈕進行求解，結果如圖4.10、4.11、4.12所示圖4. 10工件變形圖圖4. 11等效應力圖在結果的變形中插入X方向支反力并計算。執行Sohition-Insert-Probe-Force Reaction命令，再在詳細欄中確定為位移（Displacement)，如圖4.12所示圖4. 12支反力數據數據分析結果為在X方向上最大變形對應的作用力為3914.2N,由于是在實際夾持過 程中，兩側同時夾緊工件，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最大支反力，否則造成工件由于夾緊力過大而報廢。本實例分析可以作為一個夾緊力與工件變形的一個縮影，意在于通過新的方法對動力 源加工中心夾緊的夾緊進行優化控制。