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寧波大紅鷹學院
畢業(yè)設計（論文）外文翻譯
所在學院： 機械與電氣工程學院
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
班 級： 12機自3班
姓 名： 佟賀
學 號： 1221080334
指導教師： 趙偉敏
2015 年 11 月 15 日
譯文：
夾具設計的完整性有限元分析工具的開發(fā)驗證和優(yōu)化
尼古拉斯·阿馬拉爾·約瑟夫J. Rencis·一鳴（凱文）蓉
摘要：在加工操作過程中，加工夾具被用來定位和約束工件。為確保制造的工件達到規(guī)定的尺寸和公差的要求，必須適當?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鍵。一個理想的夾具設計最大限度地提高定位精度和工件的穩(wěn)定性，同時最大限度地減少工件的位移。
本研究的目的是開發(fā)一種方法來模擬工件在一個加工過程中的邊界條件和施加的載荷，使用有限元分析對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3-2-1夾具，使用線性彈簧間隙元素建模約束工件所有的自由度。被模擬為點載荷的夾具。工件被裝載到模型中模擬操作鉆銑加工的切削力。
對夾具設計的完整性進行驗證。ANSYS參數(shù)設計語言代碼用于開發(fā)一種算法自動優(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。通過在計算機環(huán)境輔助夾具設計實現(xiàn)有限元分析，不必要進行不經濟的有“試驗和誤差”的車間試驗。
關鍵詞：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床加工操作過程中限制一個工件。以確保該工件是根據(jù)指定的尺寸和公差制造，因此必須進行適當?shù)亩ㄎ缓蛫A緊。生產質量在很大程度上取決于工件和機床的相對位置。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)。加工過程中工件變形直接關系到工件夾具系統(tǒng)的剛度。一個理想的夾具設計應該最大化定位精度，工件穩(wěn)定性和剛度，同時最大限度地減少位移。
傳統(tǒng)的夾具設計試驗和試誤是耗時耗力的。研究柔性夾具和計算機輔助夾具設計（CAFD）已顯著降低生產交貨時間和成本。本研究的目的是開發(fā)一種計算機輔助工具來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）在夾具設計中進行的研究認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，假定剛性庫侖摩擦力。不考慮切削工具的扭矩導致工件旋轉的趨勢。夾緊力被認為是恒定點載荷。
該研究認識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，模擬為多個并行的彈簧連接至加工工件時夾具接觸區(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侖摩擦，但是各自獨立分配。由于進刀的考慮，在應用負載代表了機械加工，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 ]。
在這項研究中,在ANSYS進行有限元分析和優(yōu)化。在分析中，工件被導入初始圖形交換標準（IGES）格式。材料特性，單元類型，和實常數(shù)的定義。工件嚙合和邊界條件和載荷的應用。然后對模型求解及結果中檢索參量，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[1]。本文所開發(fā)的方法的優(yōu)點是，不需要外部的軟件包進行優(yōu)化，從而兩個程序包之間的兼容性沒有問題。
2文獻綜述
對夾具設計和上述的有限元分析夾具設計的研究得原則進行了討論。盡管一些夾具設計的研究已經在進行，尚未開發(fā)出準確反映綜合性的實際邊界條件和載荷有限元模型。表1和表2總結了進行有限元分析和夾具設計研究的先河。
表1。工件模型文獻調查
參考
類型
材料
E(PA)
工件模型
V μ
單元類型
李和海恩斯[2]
均勻各向同性線性彈性
6.9×108
0.3
U/A*
3-D實體8節(jié)點磚
Pong等。[3]
鋁合金各向同性的線彈性
6.9×1010
0.3
U/A
3-D實體10節(jié)點四面體;
ANSYS SOLID92
Trappey等。 [5]
鋁合金各向同性的線彈性
6.9×1010
0.3
0.3
U/A
蔡等。
鋼材各向同性的線彈性
2.1×1011
0.3
U/A
二維四結點矩形單元；MSC NASTRAN QUAD4
Kashyap和DeVries[7]
鋁合金各向同性的線彈性
6.9×1010
0.3
U/A
3-D實體四面體單元
*U/A:/不可用
表2。邊界條件和荷載的文獻綜述
參考
夾具元件模型
穩(wěn)態(tài)負荷模型
定位器
夾具
鉆孔
銑削
李和海恩斯[2]
剛性區(qū)域約束，
剛性庫侖摩擦
U/A*
U/A
正常和剪切點載荷
Pong等。[3]
三維彈簧間隙接口單元，
剛性庫侖摩擦
N/A**
正常點載荷
N/A
Trappey等。 [5]
三維實體變形約束
點荷載
正常點載荷
正常和剪切點載荷
蔡等。
剛性點約束
N/A
正常點載荷
正常和剪切點載荷
Kashyap和DeVries[7]
剛性點約束
點荷載
正常點載荷
正常和剪切點載荷
*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。他們的建模線性彈性的工件，但工裝夾具藍本為剛性。他們的目標函數(shù)包括通過夾緊和機加工力，在工件上施加最大應力，使變形指數(shù)最大化。他們的研究認為，夾具元件的必要數(shù)目和夾緊力的大小對于部分變形的重要性[3]。Manassa和DeVries醫(yī)師[4]進行了類似的研究，認為李和海恩斯[2]在線彈性彈簧模擬夾具的元件。
龐等使用的彈性間隙剛度原理，運用分離和摩擦的功能來模擬彈性工件邊界條件。有限元法分析工件加工時的應力-應變行為和夾緊力的應用。一個數(shù)學優(yōu)化模型制定了一個可行的夾具配置，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，并開發(fā)了優(yōu)化算法考慮和支持工具的位置為設計變量，在選擇結點時以盡量減少變形。
對有限元分析及工裝夾具設計優(yōu)化研究的總結如表3所示，大多數(shù)的有限元分析和夾具優(yōu)化設計的研究，產生和發(fā)展了一種數(shù)學算法。傍等。 [3]用橢球體的方法來優(yōu)化支承的位置，并盡量減少節(jié)點的偏轉。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 ]在一個軟件包的基礎上使用外部FORTRAN 序列二次規(guī)劃算法，VMCON，完成N個-2-1的支撐位置的準牛頓非線性約束優(yōu)化，以盡量減少金屬片變形Kashyap和DeVries [ 7 ]開發(fā)和優(yōu)化了一種離散數(shù)學算法。
表3。最優(yōu)化分析文獻綜述
參考
優(yōu)化分析
方法
目標函數(shù)
軟件包
Pong等。[3]
橢球算法
節(jié)點變形
N/A*
Trappey等。 [5]
非線性數(shù)學算法
節(jié)點變形
GINO[8]
蔡等。
序列二次規(guī)劃算法
薄板表面的節(jié)點撓度
VMCON[9]
Kashyap和DeVries[7]
離散數(shù)學算法
節(jié)點變形
N/A
*N/A:不適用
圖1。夾具設計分析方法論
3夾具的設計分析方法
圖1中的流程圖是對這項工作中制定和使用的夾具設計分析方法的總結?？傊?，工件從IGES幾何實體造型為突破口，工件模型進行網(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。這項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，這是在這項研究中不考慮的。
–工件的幾何模型，在Pro/E或其他實體建模軟件創(chuàng)建的IGES格式輸出線框和表面分析。IGES是一個中性的標準格式，用于CAD CAM CAE系統(tǒng)之間交換格式。ANSYS提供了兩種導入IGES文件，DEFAULT和ALTERNATE。默認選項允許文件轉換，無需用戶干預。轉換包括自動合并和創(chuàng)建卷來制備相嚙合的型號。備用選項使用標準的ANSYS幾何數(shù)據(jù)庫，并提供了一種用于與先前的ANSYS導入選項向后來發(fā)布版本的兼容性。備用選項自動創(chuàng)建卷和模式，通過這個轉換器需要手動輸入修復通過PREP7的幾何工具。要選擇導入IGES文件的選項，IOPTN使用。請參閱附錄A中[1]進行了詳細的實施說明。
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（一個）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。這項研究中選定使用SAE1212鋼，因為它是常用機械加工并且是一個基準材料，可以通過簡單地在ANSYS改變各向同性的材料屬性被用于對任何材料的工件。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
點六面體元件（SOLID45），在每個節(jié)點三個自由度，和線性位移行為被選擇為網(wǎng)格工件。SOLID45用于固體結構的三維造型。在節(jié)點X，Y和Z方向的平移：該元件是由具有三個自由度，每個節(jié)點8個節(jié)點。所述SOLID45元件退化為有三度每節(jié)點自由的4節(jié)點四面體的配置。四面體的配置更適合嚙合的非棱柱幾何形狀，但比所述六角構造不太準確。ANSYS建議該網(wǎng)格的被包含在四面體結構SOLID45元素不超過10％。對于元素類型選擇過程的詳細說明，請參閱[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或接觸面積和夾具建
為指向力。
定位器
點接觸。最簡單的邊界條件是在單個節(jié)點上的一個點的約束。本地坐標系統(tǒng)（LCS），從全局坐標系原點參考，在每個定位器接觸區(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系原點的節(jié)點被選中并且所有三個平移自由度（UX，UY和UZ）的被約束。點約束模型剛性定位具有無窮小的接觸區(qū)域。
模型定位剛度和摩擦的接觸點，三維接口彈簧隙元件被放置在局部坐標系的中心。該元件被連接到現(xiàn)有節(jié)點上的工件的表面上，并以一個完全約束復制節(jié)點從工件表面在局部坐標系中，即，垂直于表面的z方向上的偏移。圖2是用來表示一線狀彈性定位器的CONTAC52元件的模型。
區(qū)域接觸。要模擬一個接觸區(qū)域的剛性定位器，多個節(jié)點固定在接觸區(qū)域內。LCS是造成工件表面的接觸面積的中心定位。一個圓形的接觸面積，圓柱LCS創(chuàng)建節(jié)點在0＜r＜RL中選擇。對于矩形的接觸面積，笛卡爾LCS被創(chuàng)建和節(jié)點，在0
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