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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(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(shí)的運(yùn)動(dòng)方式不同，例如銑削平面、軸類加工。這就使得在進(jìn)行這類分析變形時(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，在具體的求解要求中根據(jù)不同類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，將該類夾具分為回轉(zhuǎn)類和非冋轉(zhuǎn)類。這兩類分析的方向是不同的，具體如下：
① 回轉(zhuǎn)類的加工中心夾具通常夾具體通過動(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)是沒有意義的，但在回轉(zhuǎn)類零件加工時(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)類的加工中心夾具我們分析的要求是得到一個(gè)最佳夾緊力的參考值，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) 非線性分析：在分析過程中，夾緊必然會(huì)導(dǎo)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(duì)這類夾具進(jìn)行有限元分析之前，必須搞清楚這些問題，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，且夾緊元件非細(xì)長(zhǎng)桿，夾具的結(jié)構(gòu)規(guī)則，材料非超彈性，在接觸類型上屬于綁定類，因此分析的要求是變形與載荷的關(guān)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(chuàng)建模型；導(dǎo)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(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)出文件的格式類型有Iges、Step兩種可以嵌入Ansys的類型。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程，左右是兩個(gè)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(nèi)最大的夾緊力數(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。過程如圖4.4所示

導(dǎo)入后對(duì)模型單位進(jìn)行過定義，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(xiàng), 在彈出的對(duì)話框中輸入材料參數(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. 1 5種接觸類型特點(diǎn)

接觸類型	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，屬于綁定接觸類型，所以將接觸類型設(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愋偷木W(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提供兩大類文件類型，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)格文件類型屬于有限元網(wǎng)格類型的范疇。
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方向上最大變形對(duì)應(yīng)的作用力為3914.2N,由于是在實(shí)際夾持過程中，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最大支反力，否則造成工件由于夾緊力過大而報(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。

標(biāo)簽：加工中心

分類：加工中心

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