杜春寬

(無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，無(wú)錫 江蘇 214153)

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基于TRIZ理論的雙向弓形夾結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

杜春寬

(無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，無(wú)錫 江蘇 214153)

標(biāo)準(zhǔn)弓形夾只能夾持單組工件，而不能夾持多組、有相對(duì)位置要求的工件，其應(yīng)用范圍受到限制，針對(duì)這一問(wèn)題，利用TRIZ理論尋求解決方案，設(shè)計(jì)一種具有雙曲線結(jié)構(gòu)的雙向弓形夾，可雙側(cè)夾持工件，擴(kuò)大弓形夾的應(yīng)用范圍，并對(duì)雙向弓形夾受力狀態(tài)進(jìn)行有限元分析，結(jié)果證明弓形夾所受應(yīng)力分布較均勻，夾持能力得到顯著提高。

TRIZ理論；弓形夾；優(yōu)化設(shè)計(jì)；有限元

標(biāo)準(zhǔn)弓形夾是一種用來(lái)夾持兩件或兩件以上工件的夾緊裝置，一般應(yīng)用在對(duì)接工件的焊接或黏接中。標(biāo)準(zhǔn)弓形夾夾持工件時(shí)，通過(guò)旋進(jìn)螺桿對(duì)工件施加以垂直于接觸面的夾緊力來(lái)夾緊工件，根據(jù)力的作用與反作用公理，工件也會(huì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)弓形夾施加大小相等、方向相反的反作用力。弓形夾所受反作用力產(chǎn)生的應(yīng)力分布不均勻，限制了弓形夾的夾持能力[1]，本試驗(yàn)利用TRIZ理論分析其技術(shù)矛盾，利用發(fā)明原理改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了弓形夾的夾持能力，并擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。

1 TRIZ理論及其矛盾分析法

TRIZ理論(theory of inventive problem solving，TIPS)是前蘇聯(lián)發(fā)明家阿奇舒勒(G.S.Altschuller)于1946年開(kāi)始帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)對(duì)世界各國(guó)約250萬(wàn)份優(yōu)質(zhì)專(zhuān)利文獻(xiàn)的分析、比較、歸納和研究，提出了一套具有完整體系的發(fā)明問(wèn)題解決理論和方法，主要包括39個(gè)通用工程參數(shù)、40條發(fā)明原理、76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解和效應(yīng)知識(shí)庫(kù)[2]。TRIZ理論適用于設(shè)計(jì)人員掌握發(fā)明創(chuàng)造的規(guī)律，提高創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力[3-4]，TRIZ理論在現(xiàn)代制造業(yè)中獲得了廣泛應(yīng)用，越來(lái)越受到企業(yè)和科技人員的重視[5]。TRIZ理論解決問(wèn)題流程，見(jiàn)圖1。

TRIZ理論認(rèn)為矛盾存在于各種產(chǎn)品或技術(shù)系統(tǒng)中，解決矛盾沖突是發(fā)明問(wèn)題的核心，未解決矛盾沖突的設(shè)計(jì)不是創(chuàng)新設(shè)計(jì)。TRIZ理論將工程矛盾分為技術(shù)矛盾、物理矛盾和管理矛盾，管理矛盾可以通過(guò)分析轉(zhuǎn)化為技術(shù)矛盾或物理矛盾；物理矛盾是指對(duì)技術(shù)系統(tǒng)中的某一組件(元件)的參數(shù)(屬性)提出了截然不同的需求；技術(shù)矛盾是指一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)中某一個(gè)參數(shù)(特性)得到改善的同時(shí)，導(dǎo)致另一個(gè)參數(shù)(特性)發(fā)生惡化而產(chǎn)生的矛盾，其解決首先是確定欲改善的參數(shù)和被惡化的參數(shù)，然后從矛盾矩陣表中查找推薦的發(fā)明原理，再經(jīng)分析、遴選出有益的發(fā)明原理，最后根據(jù)發(fā)明原理確定解決方案。

圖1 TRIZ理論解決問(wèn)題流程圖Figure 1 The flow chart of TRIZ theory to solve the problem

2 基于TRIZ理論的雙向弓形夾設(shè)計(jì)

2.1 標(biāo)準(zhǔn)弓形夾存在的問(wèn)題

通過(guò)文獻(xiàn)[1]可知弓形夾在夾持工件時(shí)，在反作用力作用下，弓形夾各處所受應(yīng)力相差較大，在拐角內(nèi)側(cè)應(yīng)力最大，即危險(xiǎn)截面在弓形夾拐角處，改善其應(yīng)力分布，就能提高弓形夾夾持工件的能力；標(biāo)準(zhǔn)弓形夾只能單側(cè)夾緊、固定一組工件，但對(duì)于多組工件、組件和組件之間有相對(duì)位置要求的夾持，標(biāo)準(zhǔn)弓形夾很難滿(mǎn)足要求。

2.2 設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的矛盾

弓形夾在夾持工件時(shí)，如果增大夾緊力，那么工件對(duì)弓形夾的反作用力也增大，弓形夾危險(xiǎn)界面處所受應(yīng)力也隨之變大，如此工況，強(qiáng)度和應(yīng)力構(gòu)成了一對(duì)技術(shù)矛盾[6]，應(yīng)力是被惡化的參數(shù)，而強(qiáng)度是欲改善的參數(shù)，構(gòu)成了第1組技術(shù)矛盾。

標(biāo)準(zhǔn)弓形夾不能夾持多組工件、使工件組保持一定的位置關(guān)系，所以弓形夾需要重新設(shè)計(jì)，改善弓形夾的應(yīng)用性、可操作性，能夠夾持多組工件，且保持相對(duì)位置要求。相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)弓形夾，新弓形夾的制造工藝需要重新制定、工藝裝備需要重新購(gòu)置等，增加了制造成本和加工難度，所以改善弓形夾的可操作性，勢(shì)必導(dǎo)致可制造性的降低，所以可操作性和可制造性構(gòu)成了技術(shù)矛盾，可操作性是欲改善的參數(shù)，可制造性是被惡化的參數(shù)，構(gòu)成了第2組技術(shù)矛盾。

2.3 基于TRIZ矛盾矩陣的雙向弓形夾設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上述2組技術(shù)矛盾，可從矛盾矩陣表中查得推薦的7個(gè)發(fā)明原理(見(jiàn)表1)，并不是所有的發(fā)明原理對(duì)問(wèn)題解決有幫助，經(jīng)分析比較發(fā)現(xiàn)，發(fā)明原理5和發(fā)明原理3對(duì)問(wèn)題的解決是有益的。增強(qiáng)弓形夾的可操作性，使其能夠夾持多組工件，且能保持相對(duì)位置。然而一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)弓形夾只能夾持一組工件(見(jiàn)圖2)，那么夾持多組工件就需要多個(gè)弓形夾，但弓形夾是個(gè)體存在，不能使工件組保持相對(duì)固定的位置關(guān)系，根據(jù)第5條發(fā)明原理 “把確定的多個(gè)系統(tǒng)或操作中的相同類(lèi)型或協(xié)同作業(yè)結(jié)合在一起”，本文把兩個(gè)弓形夾合并成一個(gè)雙向弓形夾，可夾持兩組工件，且能使工件保持固定的位置關(guān)系(見(jiàn)圖3)。

弓形夾在夾持工件時(shí)，所受應(yīng)力分布不均，最大應(yīng)力在弓形夾拐角內(nèi)側(cè)，提高弓形夾的夾緊力就會(huì)使弓形所受的應(yīng)力增大，危險(xiǎn)截面的應(yīng)力首先達(dá)到應(yīng)力極限值，而弓形夾其它部分應(yīng)力還沒(méi)有達(dá)到應(yīng)力極限值，在弓形夾危險(xiǎn)截面處就會(huì)發(fā)生塑形變形、開(kāi)裂等失效形式，說(shuō)明應(yīng)力分布不均限制了弓形夾的夾持能力，弓形夾各部分沒(méi)有發(fā)揮最大效能，要提高弓形夾的夾持能力，使弓形夾的應(yīng)力分布均勻，原有的直線輪廓無(wú)法達(dá)到這一要求，見(jiàn)圖4(a)。第3條發(fā)明原理“物體的每個(gè)部分都應(yīng)處于最有利其發(fā)揮自身作用的狀態(tài)”給予我們啟示，弓形夾受力大的地方，其截面應(yīng)大些，在工形夾受力小的地方，其截面應(yīng)小些，這樣弓形夾所受應(yīng)力分布均勻，各部分發(fā)揮自身的作用，所以設(shè)計(jì)了一種雙曲線輪廓的雙向弓形夾，見(jiàn)圖4(b)，由于雙曲線光滑平順，不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而提高了強(qiáng)度，節(jié)省了材料，使材料發(fā)揮最大效能。

表1 矛盾矩陣分析Table 1 Analysis on contradiction matrix

圖2 標(biāo)準(zhǔn)弓形夾Figure 2 Standard cramp frame

圖3 雙向弓形夾Figure 3 Bidirectural cramp frame

圖4 弓形夾輪廓線比較Figure 4 Comparison of the profile of cramp frame

3 雙向弓形夾設(shè)計(jì)結(jié)果分析與比較

以標(biāo)準(zhǔn)弓形夾M20為參照，設(shè)計(jì)雙向弓形夾M20[7]，利用建模軟件和有限元分析軟件進(jìn)行等效應(yīng)力仿真，定量分析設(shè)計(jì)結(jié)果，驗(yàn)證采用TRIZ理論設(shè)計(jì)方案的合理性。

3.1 不同輪廓線雙向弓形夾的應(yīng)力分析和比較

有限元分析是行之有效的工程分析手段，能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀構(gòu)架的靜力學(xué)分析[8-10]。利用creo軟件進(jìn)行建模，ansys workbench 軟件對(duì)雙向弓形夾進(jìn)行有限元分析，材料采用：ZG310-570，屈服應(yīng)力為310 MPa，抗拉強(qiáng)度為570 MPa，拉、壓許用應(yīng)力同取為155 MPa，彈性模量E=200 GPa,泊松比μ=0.3，密度為7 850 kg/m3。對(duì)直線輪廓雙向弓形夾和雙曲線雙向弓形夾施加相同的約束和載荷，在弓形夾下端兩側(cè)施加固定約束，上端兩側(cè)螺紋孔處分別施加6 547.8 N載荷[1]，由于工件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不復(fù)雜，為了計(jì)算結(jié)果精確，網(wǎng)格劃分采用整體網(wǎng)格控制，相關(guān)度設(shè)置為100，尺寸控制高級(jí)選項(xiàng)打開(kāi)，為on:curvature，相關(guān)度中心設(shè)置為medium；在static structural模塊進(jìn)行等效應(yīng)力有限元分析，圖5(a)是采用直線輪廓的雙向弓形夾M20的應(yīng)力分布云圖，可以看出，應(yīng)力分布不均勻，最大等效應(yīng)力分布在立柱內(nèi)側(cè)拐角處，達(dá)到了173 MPa，圖5(b)是雙曲線輪廓的雙向弓形夾M20應(yīng)力分布云圖，與直線輪廓的弓形夾相比，應(yīng)力分布相對(duì)較均勻，其最大等效應(yīng)力降低了65 MPa，接近38%的降幅，說(shuō)明輪廓線采用雙曲線改善了雙向弓形夾承載結(jié)構(gòu)，使弓形夾的承載能力得到了顯著提升。

3.2 立柱輪廓線參數(shù)優(yōu)化

現(xiàn)對(duì)雙曲線輪廓進(jìn)一步優(yōu)化，通過(guò)不同參數(shù)的對(duì)比，獲得較理想的結(jié)構(gòu)。以雙曲線雙向弓形夾M20為例加以闡述。

圖5 雙向弓形夾兩端施加6 547.8 N載荷時(shí)的 等效應(yīng)力云圖

Figure 5 Equivalent stess nephogram of bidirectural cramp frame under the load of 6 547.8 N

圖6 雙曲線輪廓Figure 6 Hyperbolic profile of cramp frame

3.2.2 雙曲線參數(shù)優(yōu)化 從圖6還可以看出，當(dāng)b值取小值時(shí)，曲率半徑減小明顯，弓形夾材料增加較多，夾持空間變小，且經(jīng)濟(jì)性降低，所以b值不宜選擇小值。b值分別選取70，80，90，100，110，120，其他結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)不變，利用creo進(jìn)行建模，采用ansys workbench 軟件進(jìn)行有限元分析。雙向弓形夾兩側(cè)夾持工件，施加的載荷和邊界條件和圖5應(yīng)力分析相同，通過(guò)有限元分析可知，最大等效應(yīng)力分布在拐角內(nèi)側(cè)，其大小受到雙曲線b值參數(shù)大小的影響，從圖7最大等效應(yīng)力參數(shù)曲線可以看出，隨著b值增大，最大等效應(yīng)力也隨之增大，說(shuō)明b值增大，雙向弓形夾的承載能力下降；從圖7質(zhì)量曲線可以看出，b值增大，雙向弓形夾質(zhì)量隨之減小。從質(zhì)量參數(shù)曲線和最大等效應(yīng)力參數(shù)曲線分布趨勢(shì)來(lái)看，b值在80和90之間較為合理，雙向弓形夾結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化，承載能力得到了有效提升，且結(jié)構(gòu)尺寸變化不大(如圖6b=80曲線)，不影響零部件的裝夾。

4 結(jié)論

(1) 利用TRIZ理論設(shè)計(jì)了一種雙曲線結(jié)構(gòu)的雙向弓形夾，在夾持工件時(shí)，其所受應(yīng)力分布較均勻，提高了弓形夾的夾持能力，且可雙側(cè)夾持工件，使工件保持一定的位置關(guān)系，擴(kuò)大了弓形夾的應(yīng)用范圍。

(2) 通過(guò)TRIZ理論設(shè)計(jì)的雙向弓形夾是標(biāo)準(zhǔn)弓形夾的改進(jìn)和升級(jí)，是標(biāo)準(zhǔn)弓形夾的重要補(bǔ)充，可形成系列、通用性產(chǎn)品，滿(mǎn)足不同行業(yè)對(duì)弓形夾的需求。

圖7 危險(xiǎn)截面應(yīng)力值曲線和雙向弓形夾質(zhì)量參數(shù)曲線圖Figure 7 The stress curve of minimum life section and curve of quality parameters

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Optimal design for bidirectural cramp frame based on TRIZ theory

DU Chun-kuan

(Wuxi Institute of Commerce, Wuxi, Jiangsu 214153, China)

It was well known that standard cramp frame can only clamp a group of workpieces, without the ability to catch many groups of workpieces with related position constraint. To solve this problem, a design solution based on TRIZ theory as well as an inventive principle were proposed in this study. A bidirectural cramp frame with hyperbolic structure was designed, and it could clamp workpieces on both sides. Therefore, the application range and fields of this new kind cramp frame were expanded. Moreover, the bidirectural cramp frame was also analyzed and optimized using the finite element method. Finally, simulation results showed that both the bearing capacity of the bidirectural cramp frame and its stress distribution were improved.

TRIZ theory; cramp frame; optimal design; finite element method

無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院一般課題(編號(hào)：SYKJ16B06)

杜春寬(1977—)，男，無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士。E-mail：66257357@qq.com

2016—07—08

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.11.020