【正文】 步數(shù)的運動。此夾具結(jié)構(gòu)中選擇兩推桿 J00 J006 為驅(qū)動元件。設(shè)定類型為簡諧運動驅(qū)動?？刂苾?V 塊的位移，使裝 夾運動接近實際裝夾效果。 2）運動仿真分析 多體動力學(xué)解算是運動仿真和分析的核心。在進行這一分析時，時間和步數(shù)這兩個參數(shù)需要設(shè)定，之后再進行解算，否則計算無法進行。解算分析完成之后，可以以動畫的形式表現(xiàn)機構(gòu)的運動仿真過程，動畫控制見圖 ；仿真過程見圖 所示。 圖 動畫控制界面 圖 仿真運動圖 3）后處理 運動仿真模塊可以通過對機構(gòu)任意點的標記 Markes 功能，在運動過程中對標記位置的分析數(shù)據(jù)進行提取，并以圖形和表格形式輸出。以此模型為例，標記 V 型塊上待接觸工件上一點，輸出其加 速度 時間的仿真結(jié)果，如圖 所示。 圖 標記點加速度曲線 完成了所需的解算及生成相應(yīng)的圖標、報表文件后，可將仿真運動過程轉(zhuǎn)化成動畫，轉(zhuǎn)化方式是利用 NX 自身的導(dǎo)出功能，導(dǎo)出類型包括動畫格式、視頻格式，還包含與 Teamcenter集成的格式 Teamcenter Visualization。導(dǎo)出格式見圖 。 圖 導(dǎo)出動畫 4 加工中心夾具裝夾有限元變形分析 裝夾變形分析的意義 機械加工行業(yè)的未來是面向智能化、數(shù)字化、柔性化的，其中數(shù)字化設(shè)計及制造是制造業(yè)的核心。目前越來越多的傳統(tǒng)機床已被淘汰，取而代之的則是加工中心的運用，而加工中心則是數(shù)字化制造的具體體現(xiàn)，它的夾具夾持，進給數(shù)據(jù)及加工程序都是由計算機來完成，大大的降低人力成本和人為錯誤的概率。這一大特點使得在加工前的準備工作中，各項操作環(huán)節(jié)可以量化、可控化，其中表現(xiàn)為加工中心的動力源為氣動或液壓。此外，航空類零件制造中，類殼體、泵體類零件較為常見，通常它們結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ,精度要求高。加工時對夾具的各方面要求很高。具體表現(xiàn)在裝夾 應(yīng)力容易使剛性差的薄壁部分引起超過允許范圍的變形；對于加工中心而言，往往一次性進行多道加工程序，加工完成的部分往往會作為加工固定部分而被夾具夾持，能否保證材料及結(jié)構(gòu)確定的情況下，加工所受的夾持力不會使零件超過變形要求，是本文要討論的。為了解決加工變形問題本文同樣以一組夾具在某道工序上加工的零件為例，對其進行仿真分析，得出夾緊力數(shù)據(jù)，為氣動及液壓動力源的加工中心夾具做數(shù)據(jù)參考。因此本文對航空制造中在加工中心機床上加工的產(chǎn)品具有較強的指導(dǎo)意義，為這類制造提供新的思路及方法。 有限元技術(shù) 有限元思想最早出現(xiàn) 在 20 世紀 40 年代初，這一思想經(jīng)過了 20 年的孕育，終于在美國克拉夫的一篇論文中被正式提名。隨后的 10 年內(nèi)，有限元法在理論上基本成熟，并且開始出現(xiàn)有限元分析軟件。這一方法的起源有著濃厚的工程應(yīng)用背景 [38]，在這一思想出現(xiàn)之前，英美國家的飛機制造業(yè)發(fā)展迅速，飛機結(jié)構(gòu)的不斷改進對人們認識飛機靜態(tài)及動態(tài)特性提出了迫切要求，因此分析人員不得不尋找更適合的分析方法，于是提出有限元思想以解決這一問題。 有限元法也叫有限單元法，顧名思義是將連續(xù)的結(jié)構(gòu)劃分成有限個單元格，每個單元格設(shè)定有限個節(jié)點，這樣構(gòu)成一個由體、單元、節(jié)點構(gòu)成的有限集合的整體。結(jié)構(gòu)離散后，將節(jié)點值作為基本的未知量，并在每一單元中假設(shè)一近似插值函數(shù)，以表示單元函數(shù)分布規(guī)律，進而用力學(xué)中的變分原理建立求解未知量的方程 [39]。一經(jīng)求解就可以利用解得的節(jié)點值和設(shè)定的插值函數(shù)來確定單元以上以至整個集合體上的場函數(shù) [40]。有限元求解程序內(nèi)部過程可以從圖 上看出。 圖 有限元內(nèi)部求解過程圖 近幾年來，有限元法也成為解決工程實際問題的重要工 具，應(yīng)運而生地開發(fā)了很多有限元軟件。常用的有結(jié)構(gòu)分析程序 SAP(Structural Analysis Program)，自動動力增量非線性分析有限元程序 ADINA(A Finite Element Program for Automatic Dynamic Increment Nonlinear Analysis)，自動動力分析 ASKA(Automatic System Kinematic Analysis)， NASA結(jié)構(gòu)分析程序 NASTRAN(NASA Structural)和 ANSYS 軟件。本文采用 對待加工零件進行夾持變形分析，得出最佳夾緊力參考取值范圍，為液壓、氣壓夾緊提供必要數(shù)據(jù)支持。 裝夾變形分析過程 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(jù)分析對象，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 圖 分析步驟 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(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，本人針對涉及到的加工中心夾具庫資源，將該類夾具分為回轉(zhuǎn)類和非回轉(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力機構(gòu)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(shù)據(jù)是沒有意義的，但在回轉(zhuǎn)類零件加工時，工件隨著夾具一同運動，回轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性及振動特性對夾具設(shè)計及實際加工 是非常重要的。針對這類情況，對其進行模態(tài)分析得出結(jié)構(gòu)振動特性，在設(shè)計之前避免結(jié)構(gòu)之間可能引起的共振，也給加工回轉(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最佳夾緊力的參考值，因而我們對載荷與變形的關(guān)系比較關(guān)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(dāng)夾具體的夾緊元件存在細長結(jié)構(gòu)或者壓縮結(jié)構(gòu)時，應(yīng)考慮對其進行屈曲失穩(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，應(yīng)對其進行結(jié)構(gòu)非線性分析；在分析過程中，夾緊必然會導(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。 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(xiàn)的微變形進行仿真。 此實例涉及夾具體不屬于回轉(zhuǎn)類，且夾緊元件非細長桿，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。 (1)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 進行分析計算 [41]。此外，從第三方導(dǎo)入的文件如果在安裝時沒有設(shè)定于 Ansys 接合，那么此文件與原來第三方文件則無關(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 。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)出后默認刪除了其他參數(shù)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 所示 圖 模型視圖 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(nèi)最大的夾緊力數(shù) 據(jù)。 啟動 Ansys12Workbench，進入后先保存文件再關(guān)閉信息框，這是因為系統(tǒng)通常會把所有的數(shù)據(jù)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(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 后選擇模型路徑進行導(dǎo)入。過程如圖 所示 圖 導(dǎo)入外部幾何體 導(dǎo)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(jié)構(gòu)分析項，將 Static Structural 拖入 A 塊，并設(shè)定結(jié)構(gòu)分析項為 3D 類型。如圖 所示 圖 建立結(jié)構(gòu)分析并定義 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(shù)，彈性模量為 5E11Pa，泊松比為 。工件材料選取默認結(jié)構(gòu)鋼。過程如圖 所示 圖 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 ansys12workbench 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 所示 圖 5 種不同的接觸類型 這 5 中不同的接觸類型特點見表 表 5 種接觸類型特點 接觸類型 迭代次數(shù) 法向分離 切向滑動 綁定 一次 無間隙 不能滑動 不分離 一次 無間隙 允許滑動 光滑無摩擦 多次 允許有間隙 允許滑動 粗糙 多次 允許有間隙 不能滑動 摩擦 多次 允許有間隙 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(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)格劃分是一個獨立的求解工具，根據(jù)不同求解需要劃分不同類型的網(wǎng)格，網(wǎng)格的劃分質(zhì)量對分析結(jié)果影響很大，因此這是有限元分析中很關(guān)鍵的一個步驟。 Workbench 提供兩大類文件類型，分別是計算流體力學(xué)網(wǎng)格和有限元網(wǎng)格。本文所要進行的分析對象是機械結(jié)構(gòu)，要劃分的網(wǎng)格文件類型屬于有限元網(wǎng)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(wǎng)格法。 四面體網(wǎng)格劃分法：針對三維網(wǎng)格的這幾種方法中，四面體劃分是相對最容易的。在Ansys12workbench 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)格可能會忽略幾何體表面的細節(jié)。 掃掠法：劃分對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。 自動劃分法：該 方法實際上結(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。 HexDominant：該方法在一個結(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，對于細長類幾何體并不適用。 多域法：主要用來劃分六面體網(wǎng)格，特點是具有幾何體自動分解的功能，無需將對象切成規(guī)則體來掃掠產(chǎn)生六面體網(wǎng)格。 結(jié)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(wǎng)格劃分法、掃掠法、自動劃分法分別 對工件、 V 塊 V 塊 2 進行網(wǎng)格劃分。劃分結(jié)果如圖 所示 圖 網(wǎng)格劃分 (4)添加約束條件 為 V 型塊相向加載 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 所示 圖 添加位移約束 (5)求解及后處理結(jié)果 點擊 Solution（ B6）切換到求解環(huán)境，點擊 Solve 按鈕進行求解。在結(jié)果（ solution）中插入變形 Deformationtotal、等效應(yīng)力 Equivalent Stress、支反力 Force Reaction。并設(shè)定變形計應(yīng)力對象只為工件。點擊 Solve 按鈕進行求解，結(jié)果如圖 、 、 所示 圖 工件變形圖 圖 等效應(yīng)力圖 在結(jié)果的變形中插入 X 方向支反力并計算。執(zhí)行 SolutionInsertProbeForce Reaction 命令，再在詳細欄中確定為位移（ Displacement），如圖 所示 圖 支反力數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)分析結(jié)果為在 X 方向上最大變形對應(yīng)的作用力為 ，由于是在實際夾持過程中，兩側(cè)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(yōu)化控制。 5 數(shù)據(jù)集成的實現(xiàn)