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寧波大紅鷹學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文翻譯
所在學(xué)院： 機(jī)械與電氣工程學(xué)院
專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí)： 12機(jī)自3班
姓 名： 佟賀
學(xué) 號(hào)： 1221080334
指導(dǎo)教師： 趙偉敏
2015 年 11 月 15 日
譯文：
夾具設(shè)計(jì)的完整性有限元分析工具的開(kāi)發(fā)驗(yàn)證和優(yōu)化
尼古拉斯·阿馬拉爾·約瑟夫J. Rencis·一鳴（凱文）蓉
摘要：在加工操作過(guò)程中，加工夾具被用來(lái)定位和約束工件。為確保制造的工件達(dá)到規(guī)定的尺寸和公差的要求，必須適當(dāng)?shù)囟ㄎ徊A緊。工件和夾具模具變形的最小量是由夾緊和切削力影響的是提升加工精度的關(guān)鍵。一個(gè)理想的夾具設(shè)計(jì)最大限度地提高定位精度和工件的穩(wěn)定性，同時(shí)最大限度地減少工件的位移。
本研究的目的是開(kāi)發(fā)一種方法來(lái)模擬工件在一個(gè)加工過(guò)程中的邊界條件和施加的載荷，使用有限元分析對(duì)模塊化的夾具工具接觸區(qū)域的變形和支持位置的優(yōu)化進(jìn)行分析。工件的邊界條件被定義為定位器和夾子。定位器被放置在一個(gè)3-2-1夾具，使用線(xiàn)性彈簧間隙元素建模約束工件所有的自由度。被模擬為點(diǎn)載荷的夾具。工件被裝載到模型中模擬操作鉆銑加工的切削力。
對(duì)夾具設(shè)計(jì)的完整性進(jìn)行驗(yàn)證。ANSYS參數(shù)設(shè)計(jì)語(yǔ)言代碼用于開(kāi)發(fā)一種算法自動(dòng)優(yōu)化夾具支架和夾具的位置以及夾緊力，以盡量減少工件變形，最后增加加工精度。通過(guò)在計(jì)算機(jī)環(huán)境輔助夾具設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)有限元分析，不必要進(jìn)行不經(jīng)濟(jì)的有“試驗(yàn)和誤差”的車(chē)間試驗(yàn)。
關(guān)鍵詞：FEA、有限元分析、夾具優(yōu)化
1引言
加工夾具用于定位和在機(jī)床加工操作過(guò)程中限制一個(gè)工件。以確保該工件是根據(jù)指定的尺寸和公差制造，因此必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)亩ㄎ缓蛫A緊。生產(chǎn)質(zhì)量在很大程度上取決于工件和機(jī)床的相對(duì)位置。盡量減少工件和夾具加工變形，由于夾緊力和切削力是加工中是非常重要的加工參數(shù)。加工過(guò)程中工件變形直接關(guān)系到工件夾具系統(tǒng)的剛度。一個(gè)理想的夾具設(shè)計(jì)應(yīng)該最大化定位精度，工件穩(wěn)定性和剛度，同時(shí)最大限度地減少位移。
傳統(tǒng)的夾具設(shè)計(jì)試驗(yàn)和試誤是耗時(shí)耗力的。研究柔性?shī)A具和計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)（CAFD）已顯著降低生產(chǎn)交貨時(shí)間和成本。本研究的目的是開(kāi)發(fā)一種計(jì)算機(jī)輔助工具來(lái)模擬工件的邊界條件和施加的載荷在加工。
大多數(shù)的有限元分析（FEA）在夾具設(shè)計(jì)中進(jìn)行的研究認(rèn)為工件的邊界條件是剛性的，并施加的載荷比較集中。在只有摩擦的情況下，假定剛性庫(kù)侖摩擦力。不考慮切削工具的扭矩導(dǎo)致工件旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。夾緊力被認(rèn)為是恒定點(diǎn)載荷。
該研究認(rèn)識(shí)到工件的邊界條件變形而影響工件的夾具系統(tǒng)的整體剛度。工件，定位器的邊界條件，模擬為多個(gè)并行的彈簧連接至加工工件時(shí)夾具接觸區(qū)域的工件的表面。另外，邊界條件的切向和法向剛度組件不假定等于作為剛性庫(kù)侖摩擦，但是各自獨(dú)立分配。由于進(jìn)刀的考慮，在應(yīng)用負(fù)載代表了機(jī)械加工，扭矩，軸向和橫向載荷。深入探討本文工作可以在阿馬拉爾[ 1 ]。
在這項(xiàng)研究中,在ANSYS進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化。在分析中，工件被導(dǎo)入初始圖形交換標(biāo)準(zhǔn)（IGES）格式。材料特性，單元類(lèi)型，和實(shí)常數(shù)的定義。工件嚙合和邊界條件和載荷的應(yīng)用。然后對(duì)模型求解及結(jié)果中檢索參量，和支撐位置，夾緊位置和夾緊力優(yōu)化，以盡量減少工件偏轉(zhuǎn)[1]。本文所開(kāi)發(fā)的方法的優(yōu)點(diǎn)是，不需要外部的軟件包進(jìn)行優(yōu)化，從而兩個(gè)程序包之間的兼容性沒(méi)有問(wèn)題。
2文獻(xiàn)綜述
對(duì)夾具設(shè)計(jì)和上述的有限元分析夾具設(shè)計(jì)的研究得原則進(jìn)行了討論。盡管一些夾具設(shè)計(jì)的研究已經(jīng)在進(jìn)行，尚未開(kāi)發(fā)出準(zhǔn)確反映綜合性的實(shí)際邊界條件和載荷有限元模型。表1和表2總結(jié)了進(jìn)行有限元分析和夾具設(shè)計(jì)研究的先河。
表1。工件模型文獻(xiàn)調(diào)查
參考
類(lèi)型
材料
E(PA)
工件模型
V μ
單元類(lèi)型
李和海恩斯[2]
均勻各向同性線(xiàn)性彈性
6.9×108
0.3
U/A*
3-D實(shí)體8節(jié)點(diǎn)磚
Pong等。[3]
鋁合金各向同性的線(xiàn)彈性
6.9×1010
0.3
U/A
3-D實(shí)體10節(jié)點(diǎn)四面體;
ANSYS SOLID92
Trappey等。 [5]
鋁合金各向同性的線(xiàn)彈性
6.9×1010
0.3
0.3
U/A
蔡等。
鋼材各向同性的線(xiàn)彈性
2.1×1011
0.3
U/A
二維四結(jié)點(diǎn)矩形單元；MSC NASTRAN QUAD4
Kashyap和DeVries[7]
鋁合金各向同性的線(xiàn)彈性
6.9×1010
0.3
U/A
3-D實(shí)體四面體單元
*U/A:/不可用
表2。邊界條件和荷載的文獻(xiàn)綜述
參考
夾具元件模型
穩(wěn)態(tài)負(fù)荷模型
定位器
夾具
鉆孔
銑削
李和海恩斯[2]
剛性區(qū)域約束，
剛性庫(kù)侖摩擦
U/A*
U/A
正常和剪切點(diǎn)載荷
Pong等。[3]
三維彈簧間隙接口單元，
剛性庫(kù)侖摩擦
N/A**
正常點(diǎn)載荷
N/A
Trappey等。 [5]
三維實(shí)體變形約束
點(diǎn)荷載
正常點(diǎn)載荷
正常和剪切點(diǎn)載荷
蔡等。
剛性點(diǎn)約束
N/A
正常點(diǎn)載荷
正常和剪切點(diǎn)載荷
Kashyap和DeVries[7]
剛性點(diǎn)約束
點(diǎn)荷載
正常點(diǎn)載荷
正常和剪切點(diǎn)載荷
*U/A:不可用；
**N/A:不適用。
李和海恩斯[2]采用有限元分析以減少工件變形。他們的建模線(xiàn)性彈性的工件，但工裝夾具藍(lán)本為剛性。他們的目標(biāo)函數(shù)包括通過(guò)夾緊和機(jī)加工力，在工件上施加最大應(yīng)力，使變形指數(shù)最大化。他們的研究認(rèn)為，夾具元件的必要數(shù)目和夾緊力的大小對(duì)于部分變形的重要性[3]。Manassa和DeVries醫(yī)師[4]進(jìn)行了類(lèi)似的研究，認(rèn)為李和海恩斯[2]在線(xiàn)彈性彈簧模擬夾具的元件。
龐等使用的彈性間隙剛度原理，運(yùn)用分離和摩擦的功能來(lái)模擬彈性工件邊界條件。有限元法分析工件加工時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變行為和夾緊力的應(yīng)用。一個(gè)數(shù)學(xué)優(yōu)化模型制定了一個(gè)可行的夾具配置，以盡量減少工件變形。
蔡等。[ 6 ]利用有限元法分析金屬板料變形和優(yōu)化支撐的位置，以減少由此產(chǎn)生的位移。Kashyap和DeVries [ 7 ]]利用有限元分析模擬的工件和夾具及刀具變形，并開(kāi)發(fā)了優(yōu)化算法考慮和支持工具的位置為設(shè)計(jì)變量，在選擇結(jié)點(diǎn)時(shí)以盡量減少變形。
對(duì)有限元分析及工裝夾具設(shè)計(jì)優(yōu)化研究的總結(jié)如表3所示，大多數(shù)的有限元分析和夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究，產(chǎn)生和發(fā)展了一種數(shù)學(xué)算法。傍等。 [3]用橢球體的方法來(lái)優(yōu)化支承的位置，并盡量減少節(jié)點(diǎn)的偏轉(zhuǎn)。Trappey等。 [5]使用了外部軟件包，吉諾[8]，優(yōu)化了支撐位置和夾緊力。Cai[ 6 ]在一個(gè)軟件包的基礎(chǔ)上使用外部FORTRAN 序列二次規(guī)劃算法，VMCON，完成N個(gè)-2-1的支撐位置的準(zhǔn)牛頓非線(xiàn)性約束優(yōu)化，以盡量減少金屬片變形Kashyap和DeVries [ 7 ]開(kāi)發(fā)和優(yōu)化了一種離散數(shù)學(xué)算法。
表3。最優(yōu)化分析文獻(xiàn)綜述
參考
優(yōu)化分析
方法
目標(biāo)函數(shù)
軟件包
Pong等。[3]
橢球算法
節(jié)點(diǎn)變形
N/A*
Trappey等。 [5]
非線(xiàn)性數(shù)學(xué)算法
節(jié)點(diǎn)變形
GINO[8]
蔡等。
序列二次規(guī)劃算法
薄板表面的節(jié)點(diǎn)撓度
VMCON[9]
Kashyap和DeVries[7]
離散數(shù)學(xué)算法
節(jié)點(diǎn)變形
N/A
*N/A:不適用
圖1。夾具設(shè)計(jì)分析方法論
3夾具的設(shè)計(jì)分析方法
圖1中的流程圖是對(duì)這項(xiàng)工作中制定和使用的夾具設(shè)計(jì)分析方法的總結(jié)?？傊?，工件從IGES幾何實(shí)體造型為突破口，工件模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，施加邊界條件，模型加載，加工操作，模型求解，然后邊界條件進(jìn)行優(yōu)化，以盡量減少工件變形。
3.1工件模型
工件模型是分析的出發(fā)點(diǎn)。這項(xiàng)研究目前限制了固體工件的幾何形狀與平面表面的定位。一些工件的幾何形狀可能包含薄壁和非平面的定位面，這是在這項(xiàng)研究中不考慮的。
–工件的幾何模型，在Pro/E或其他實(shí)體建模軟件創(chuàng)建的IGES格式輸出線(xiàn)框和表面分析。IGES是一個(gè)中性的標(biāo)準(zhǔn)格式，用于CAD CAM CAE系統(tǒng)之間交換格式。ANSYS提供了兩種導(dǎo)入IGES文件，DEFAULT和ALTERNATE。默認(rèn)選項(xiàng)允許文件轉(zhuǎn)換，無(wú)需用戶(hù)干預(yù)。轉(zhuǎn)換包括自動(dòng)合并和創(chuàng)建卷來(lái)制備相嚙合的型號(hào)。備用選項(xiàng)使用標(biāo)準(zhǔn)的ANSYS幾何數(shù)據(jù)庫(kù)，并提供了一種用于與先前的ANSYS導(dǎo)入選項(xiàng)向后來(lái)發(fā)布版本的兼容性。備用選項(xiàng)自動(dòng)創(chuàng)建卷和模式，通過(guò)這個(gè)轉(zhuǎn)換器需要手動(dòng)輸入修復(fù)通過(guò)PREP7的幾何工具。要選擇導(dǎo)入IGES文件的選項(xiàng)，IOPTN使用。請(qǐng)參閱附錄A中[1]進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)施說(shuō)明。
表4。工件和定位器材料性能
材料
E(PA)
Ρ(kg/m3)
v
σy(PA)
工件
AISI 1212
2.0×1011
7861
0.295
2.3×108
定位器
AISI 1144
2.0×1011
7861
0.295
6.7×108
材料特性 - 在本研究中的工件材料是均勻的，各向同性的，線(xiàn)性彈性和韌性;這是與大多數(shù)的金屬工件的材料特性相一致。所選擇的材料是SAE / AISI1212易切削級(jí)（一個(gè)）碳鋼與楊氏模量，E =30×106磅泊松比，ν=0.295，和密度，ρ=0.283磅/立方英寸，以及硬度為175 HB。這項(xiàng)研究中選定使用SAE1212鋼，因?yàn)樗浅Ｓ脵C(jī)械加工并且是一個(gè)基準(zhǔn)材料，可以通過(guò)簡(jiǎn)單地在ANSYS改變各向同性的材料屬性被用于對(duì)任何材料的工件。表4列出了本研究中用于工件和定位器中選擇的材料的性能。
3.2網(wǎng)狀工件模型
點(diǎn)六面體元件（SOLID45），在每個(gè)節(jié)點(diǎn)三個(gè)自由度，和線(xiàn)性位移行為被選擇為網(wǎng)格工件。SOLID45用于固體結(jié)構(gòu)的三維造型。在節(jié)點(diǎn)X，Y和Z方向的平移：該元件是由具有三個(gè)自由度，每個(gè)節(jié)點(diǎn)8個(gè)節(jié)點(diǎn)。所述SOLID45元件退化為有三度每節(jié)點(diǎn)自由的4節(jié)點(diǎn)四面體的配置。四面體的配置更適合嚙合的非棱柱幾何形狀，但比所述六角構(gòu)造不太準(zhǔn)確。ANSYS建議該網(wǎng)格的被包含在四面體結(jié)構(gòu)SOLID45元素不超過(guò)10％。對(duì)于元素類(lèi)型選擇過(guò)程的詳細(xì)說(shuō)明，請(qǐng)參閱[1]。
3.3約束條件
定位器和夾具確定工件模型的約束條件。該定位器可以模擬為點(diǎn)或接觸面積和夾具建
為指向力。
定位器
點(diǎn)接觸。最簡(jiǎn)單的邊界條件是在單個(gè)節(jié)點(diǎn)上的一個(gè)點(diǎn)的約束。本地坐標(biāo)系統(tǒng)（LCS），從全局坐標(biāo)系原點(diǎn)參考，在每個(gè)定位器接觸區(qū)域的中心創(chuàng)建的，以使得z軸垂直于工件定位表面。最靠近本地的中心坐標(biāo)系原點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)被選中并且所有三個(gè)平移自由度（UX，UY和UZ）的被約束。點(diǎn)約束模型剛性定位具有無(wú)窮小的接觸區(qū)域。
模型定位剛度和摩擦的接觸點(diǎn)，三維接口彈簧隙元件被放置在局部坐標(biāo)系的中心。該元件被連接到現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)上的工件的表面上，并以一個(gè)完全約束復(fù)制節(jié)點(diǎn)從工件表面在局部坐標(biāo)系中，即，垂直于表面的z方向上的偏移。圖2是用來(lái)表示一線(xiàn)狀彈性定位器的CONTAC52元件的模型。
區(qū)域接觸。要模擬一個(gè)接觸區(qū)域的剛性定位器，多個(gè)節(jié)點(diǎn)固定在接觸區(qū)域內(nèi)。LCS是造成工件表面的接觸面積的中心定位。一個(gè)圓形的接觸面積，圓柱LCS創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)在0＜r＜RL中選擇。對(duì)于矩形的接觸面積，笛卡爾LCS被創(chuàng)建和節(jié)點(diǎn)，在0
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