許海濤，顧文斌，王強(qiáng)

(河海大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 常州 213022)

基于ANSYS Workbench的保持架柔性夾具的低速碰撞仿真

許海濤，顧文斌，王強(qiáng)

(河海大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 常州 213022)

針對保持架滾珠裝配機(jī)在實(shí)際工作中由于工作圓盤旋轉(zhuǎn)精度低而導(dǎo)致柔性夾具受到?jīng)_擊的危險，采用CAE技術(shù)下的ANSYS Workbench軟件的分析功能對柔性夾具進(jìn)行碰撞仿真分析，從應(yīng)力應(yīng)變分布圖中判斷其有較大的變形，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提高其結(jié)構(gòu)剛度。

保持架柔性夾具;碰撞仿真;ANSYS Workbench

汽車座椅是汽車的基本裝置，在汽車中它將人體與車身聯(lián)系在一起，直接關(guān)系到乘員的駕乘舒適性和安全性。保持架是汽車座椅導(dǎo)軌滑塊中常用的部件，目前國內(nèi)的裝配工藝是工人先將滾珠放在工作臺上，再將工件置于其上，用錘子輕輕敲擊以完成裝配。由于保持架為鈑金件，形狀不規(guī)則且規(guī)格多，大量勞動力的使用不僅會使生產(chǎn)成本提高，而且操作工長時間重復(fù)一個動作，非常容易疲勞，勞動率低下亦會影響產(chǎn)品的質(zhì)量。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，許多企業(yè)為了適應(yīng)越來越激烈的市場競爭，把產(chǎn)品生產(chǎn)模式由單一品種、大批量改為多品種、中小批量。在產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，裝配是關(guān)鍵的一道工序。柔性裝配系統(tǒng)是通過計(jì)算機(jī)把產(chǎn)品制造過程中各工位的控制系統(tǒng)組合起來而形成的高效率、高柔性的裝配系統(tǒng)［1］，它的技術(shù)基礎(chǔ)是裝配技術(shù)、機(jī)電技術(shù)、傳感器技術(shù)以及機(jī)器人技術(shù)。為了適應(yīng)柔性裝配系統(tǒng)的硬件需求，設(shè)計(jì)了保持架柔性夾具。

本文以某新型滾珠裝配系統(tǒng)中的保持架柔性夾具為研究對象，利用SolidWorks和ANSYS Workbench軟件對保持架柔性夾具進(jìn)行三維建模和低速碰撞過程模擬，并對模擬結(jié)果進(jìn)行分析，給出優(yōu)化方案。

1 柔性夾具簡介

體現(xiàn)夾具柔性的結(jié)構(gòu)由夾緊板、夾持滑塊、套筒等部分組成。把位于夾具偏下位置的夾緊板固定在一個可調(diào)節(jié)的螺柱上，可以調(diào)節(jié)夾具以夾持不同長度的保持架;通過調(diào)節(jié)夾持滑塊在燕尾槽中的位置以及可伸縮螺桿的長度，可以改變保持架平面的加工位置;同時夾持塊部分采取外加套筒的方式，可以解決不同型號滾珠的裝配以及裝配深度的變化;設(shè)計(jì)防飛擋板主要是解決轉(zhuǎn)盤工作時離心加速度對加工精度的影響?？紤]到不同規(guī)格的工件尺寸不同，在設(shè)計(jì)保持架柔性夾具時設(shè)定其可夾持工件的尺寸范圍為:寬30mm～50mm，長≤80mm，高≤30mm，并可根據(jù)實(shí)際需求更改。利用Solid Works建立的保持架柔性夾具模型如圖1所示，保持架實(shí)物圖如圖2所示。

圖1 保持架柔性夾具模型

2 保持架碰撞性能分析的理論基礎(chǔ)

保持架碰撞過程屬于沖擊載荷變形和非線性動態(tài)接觸的過程，一般持續(xù)0.1～0.2s，并將動能迅速轉(zhuǎn)化為其他形式的能，例如應(yīng)變能、熱能、聲能等［2-3］。碰撞分析遵循自然界的能量、動量守恒定律，建立含未知邊界條件的偏微分方程如下:

圖2 多型號保持架的實(shí)物圖

能量守恒方程

式中:v為物體速度;Sij為偏應(yīng)力張量;εij為應(yīng)變率張量;p為壓力;q為體積黏性阻力。

動量守恒方程

式中:m1，m2為物體質(zhì)量;v1，v2為碰撞前速度;v10，v20為碰撞后速度。

3 帶動荷系數(shù)的應(yīng)力與變形求解法

3.1 解析法求解

式中:E為鋼材的彈性系數(shù);I為慣性矩。故求得

由于材料力學(xué)的公式是以細(xì)長桿件為基礎(chǔ)的，并不適用于本文所研究的保持架夾具模型(圖1)，而數(shù)值分析是建立在彈性力學(xué)基礎(chǔ)上的，故有必要進(jìn)行有限元數(shù)值分析［4］。

3.2 有限元數(shù)值模擬

為提高分析軟件的工作效率和改善單元質(zhì)量，在利用SolidWorks和ANSYS Workbench軟件對保持架夾具進(jìn)行參數(shù)化建模和仿真分析時，對保持架夾具作適當(dāng)簡化，在有限元模型中去除螺母與夾緊板的干擾。

3.2.1 設(shè)置材料屬性

保持架夾具的材質(zhì)為24號鋼，其材料屬性參數(shù)為:密度7 850kg/m3，泊松比0.3，彈性模量210GPa，屈服強(qiáng)度210MPa。手動將24號鋼添加到ANSYS Workbench軟件的材料庫Engineering Data模塊中，并通過Density/Include Property和Isotropic Elasticity/Include Property將材料的各屬性參數(shù)添加到材料性能表中，即完成24號鋼在軟件中的添加。

3.2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是將模型離散成單元和節(jié)點(diǎn)的過程。ANSYS Workbench有限元仿真系統(tǒng)默認(rèn)選擇Solid 187單元，其智能化程度很高，可以更好地模擬不規(guī)則的物體。在Element Size中設(shè)置單元大小為1mm，將保持架夾具模型劃分為229 166個節(jié)點(diǎn)、97 739個單元，如圖3所示。

圖3 保持架夾具模型有限元網(wǎng)格劃分

3.2.3 加載條件和后處理

使用ANSYS Workbench軟件中的Static Structural模塊進(jìn)行靜載荷處理，加載條件與解析法相同，約束面為4個螺栓柱。碰撞后的變形與應(yīng)力云圖如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)裝夾尺寸較小的工件時，伸出臂最長，此時螺桿危險點(diǎn)的最大等效應(yīng)力接近400MPa，超過屈服強(qiáng)度210MPa，產(chǎn)生的最大等效塑性變形為0.216mm，應(yīng)力、變形均很大。這種塑性變形已直接影響到滾珠的定位精度和沖壓模塊的裝配精度，是加工過程中所不允許的，因此要增加夾具豎直方向上的剛度。

常規(guī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案是改變夾具局部的結(jié)構(gòu)形式、增加軸的尺寸、設(shè)置加強(qiáng)筋或者加強(qiáng)板等［5］，對于本文所述夾具，一味地加大尺寸會造成夾具體積變大，生產(chǎn)成本增加，另外加強(qiáng)筋不僅會造成伸縮螺桿伸長方向上的尺寸抑制，而且會和夾緊板形成安裝干涉。

基于以上分析，對夾具結(jié)構(gòu)進(jìn)行以下優(yōu)化:

1)變底層可伸縮螺紋桿為光桿并加大光桿尺寸，同時導(dǎo)向桿承擔(dān)主要動載荷。

2)上層螺紋桿設(shè)置在導(dǎo)向桿下面，與導(dǎo)向桿形成倒三角，起固定作用。

3)沖壓頭頭部與彈簧剛性連接，作為靜載荷處理，這樣應(yīng)力和變形將大大減小。

改進(jìn)后的等效變形及應(yīng)力如圖5所示。

圖4 等效變形和應(yīng)力圖

圖5 優(yōu)化后的等效變形和應(yīng)力圖

4 瞬態(tài)動力學(xué)分析

梁的碰撞過程符合碰撞理論，應(yīng)用ANSYS Workbench軟件的Transient Structural模塊可進(jìn)行梁的瞬態(tài)動力學(xué)分析。

4.1 初始設(shè)置

設(shè)置網(wǎng)格劃分單元大小為1mm，主要校核面添加接觸關(guān)系，處理時間單元initial time step為0.01s，minimum time step為0.01s，maximum time step為0.02s。fixed support設(shè)為螺栓的4個面，施加時間為0.1～0.5s、大小為250N的梯形載荷。

4.2 仿真后處理

由圖5可知，優(yōu)化后的模型受到的最大等效彈性形變?yōu)?.129mm，最大應(yīng)力不到150MPa，與優(yōu)化前相比大大減小了危險性。不同伸出臂長度其危險點(diǎn)的最大應(yīng)力及最大位移，不同的算法所得的計(jì)算結(jié)果見表1。前兩種計(jì)算方法是以靜載動荷系數(shù)擴(kuò)大法模擬沖擊，能夠一定程度上反映塑性破壞，而瞬態(tài)動力學(xué)模型法通過設(shè)置沖擊力的施加時間和大小，能夠較精準(zhǔn)地反映低速碰撞。但現(xiàn)實(shí)工況中不僅僅包含單純的沖擊過程，沖壓頭還會有靜力保持，而且力矩大小與電機(jī)本身參數(shù)有關(guān)，因而不同的計(jì)算方法可以在仿真時做相互補(bǔ)充。另外在相同的沖擊加載條件下，瞬態(tài)沖擊比靜載沖擊的破壞更大，若瞬態(tài)沖擊獲得的結(jié)果是安全的，則靜載沖擊獲得的結(jié)果會更安全［6］。從表1可以看出，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形都大大減小，結(jié)果令人滿意。

表1 不同伸出臂長度的危險點(diǎn)的最大應(yīng)力及位移

5 結(jié)束語

本文運(yùn)用有限元軟件ANSYS Workbench對保持架夾具進(jìn)行建模和分析，并分別運(yùn)用了動載轉(zhuǎn)靜載法、瞬態(tài)動力學(xué)法模擬了低速碰撞情況，得到了它的應(yīng)力變形分布圖，從而找出了原有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)存在的缺陷;通過對夾具模型進(jìn)行優(yōu)化，得到了較為理想的仿真結(jié)果。

在仿真過程中發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬的仿真度具有局限性，比如外載荷以及約束的添加面并不精準(zhǔn)，網(wǎng)格的自動劃分可能會使結(jié)果并不收斂［7］，不能精確反映既有沖擊又有靜載的現(xiàn)實(shí)工況，有待以后進(jìn)一步改進(jìn)。

［1］紀(jì)海慧.ANASYS Workbench在卡扣裝配分析中應(yīng)用［J］.現(xiàn)代制造工程，2008(8):48-49，131.

［2］韓春曉，付蕓.基于ANSYS Workbench的鏡頭跌落仿真分析研究［J］.長春大學(xué)學(xué)報，2013(2):149-151.

［3］包守忠.車輛碰撞事故仿真與再現(xiàn)研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2009.

［4］王娜，李洪剛.基于ANASYS Workbench的保險杠低速碰撞仿真［J］.大連交通大學(xué)學(xué)報，2013(2):54-56.

［5］武義凱，謝永利.沉管隧道的ANASYS三維有限元分析研究［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報，2014(3):296-301.

［6］Santosa S P，Wierzbicki T.Crash behavior of box column filled with aluminum honeycomb or foam［J］.Computer and Structures，1998，69(3):343-368.

［7］郝偉，張洪，郝永福.有限元法在接觸問題中的應(yīng)用［J］.機(jī)械管理開發(fā)，2005(2):49-50.

The collision simulation of the flexible cage fixture at low speed based on ANSYS Workbench

XU Haitao，GU Wenbin，WANG Qiang
(College of Mechanical and Electrical Engineering，Hohai University，Jiangsu Changzhou，213022，China)

It establishes the model of flexible cage fixture of car seat parts，and defines the validity of the collision model.In order to avoid the hitting problem because of the table＇s inaccurate position in the real processing of cage ball assembling condition，it makes a collision simulation analysis based on ANASYS Workbench software. With the help of the deformation of the parts and the stress and strain distribution，it improves the structure and optimizes the structural rigidity.

flexible cage fixture;collision simulation;ANASYS Workbench

TH6

A

2095-509X(2015)07-0007-04

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.07.002

2015-06-16

許海濤(1992—)，男，江蘇泗洪人，河海大學(xué)本科生，專業(yè)方向?yàn)闄C(jī)械工程專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)。