摘 要：隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)動(dòng)機(jī)中的產(chǎn)品零件設(shè)計(jì)向高精度、薄壁件、異型件、輕質(zhì)復(fù)合材料等方向發(fā)展，因此，與之配套的檢測(cè)工具也要求精度高、重量輕、剛性好、強(qiáng)度高。近年來(lái)，隨著工裝設(shè)計(jì)向?qū)崿F(xiàn)三維設(shè)計(jì)發(fā)展進(jìn)步，有限元分析成為了設(shè)計(jì)人員進(jìn)行模擬分析結(jié)構(gòu)使用的工程分析方法和手段。有限元分析——利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬，并利用簡(jiǎn)單又相互作用的元素，即單元，就可以實(shí)現(xiàn)用有限數(shù)量的未知量去逼近無(wú)限數(shù)量的未知量的系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：有限元分析；工裝設(shè)計(jì)；求解

1 概述

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品零件中，特別是軸孔類零件具有長(zhǎng)度短、尺寸公差嚴(yán)等特征，且大部分測(cè)量位置在凹槽內(nèi)，檢測(cè)設(shè)計(jì)比較困難。零件過(guò)程生產(chǎn)檢測(cè)時(shí)常采用在線測(cè)量方法，需考慮人工操作的便捷性，所以對(duì)測(cè)具基體的重量、剛性和強(qiáng)度提出較高的精度要求。

隨著工裝設(shè)計(jì)檢測(cè)水平向數(shù)字化、自動(dòng)化、精密化、高效化發(fā)展，改變?cè)袑Ｓ脺y(cè)量工具笨重不便的狀況，急需尋找輕型工裝設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析手段，提高工裝設(shè)計(jì)的質(zhì)量，是擺在我們?cè)O(shè)計(jì)人員面前的重要任務(wù)。

一個(gè)好的工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)預(yù)期的載荷作用時(shí)，該結(jié)構(gòu)必須不出現(xiàn)任何故障。意味著所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)必須是“強(qiáng)度足夠”，故障就是其結(jié)構(gòu)存在破裂、分離、彎曲，以及支撐作用載荷失敗。并且在通常設(shè)計(jì)中還應(yīng)提供安全余量，即考慮到意外的載荷。

當(dāng)載荷作用時(shí)，該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)必須不產(chǎn)生過(guò)分變形。意味著所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)必須是“剛度足夠”，即是變形可以接受的極限（也即彎曲度，撓度，拉伸等）。所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在它服務(wù)生命周期內(nèi)，使用穩(wěn)定可靠。這意味著設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)必須“足夠耐用”，必須考慮環(huán)境影響和磨損破裂。所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，必須滿足：（1）強(qiáng)度足夠——應(yīng)力必須是在一個(gè)可以接受的范圍內(nèi)。（2）剛度足夠——應(yīng)力必須是在一個(gè)可以接受的范圍內(nèi)。（3）耐用度足夠——在設(shè)計(jì)允許的疲勞周期內(nèi)，應(yīng)力必須是較低。

因此，工裝設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以用有限元分析的方法對(duì)真實(shí)幾何結(jié)構(gòu)和載荷進(jìn)行模擬，就能實(shí)現(xiàn)工裝設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)——用有限數(shù)量的未知量去逼近無(wú)限未知量的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)；從而確定最輕、最優(yōu)化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

2 工裝有限元結(jié)構(gòu)分析

針對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)的工裝——弓型直徑測(cè)具進(jìn)行基體有限元結(jié)構(gòu)分析，是否滿足工裝設(shè)計(jì)剛性、強(qiáng)度要求。首先，利用UG軟件將創(chuàng)建好的三維仿真分析模型，導(dǎo)入如圖1所示。其次，選擇基體模型的材料，包括材料的密度、彈性模量、泊松比等力學(xué)性能指數(shù)。從相關(guān)金屬材料手冊(cè)上查找T8A，45鋼的力學(xué)性能參數(shù)，并輸入到軟件中。T8A，45鋼的力學(xué)性能參數(shù)，如圖2。

利用ANSYS的WORBENCH平臺(tái)創(chuàng)建仿真分析模板，并建立仿真過(guò)程，如圖3。選擇要分析幾何模型結(jié)構(gòu)圖，并進(jìn)入到靜力分析的幾何分析模塊Geometry模塊中，進(jìn)行模型的導(dǎo)入。導(dǎo)入幾何模型后，對(duì)幾何模型進(jìn)行修補(bǔ)和重新定義，確定加載位置幾何和相關(guān)信息，便于后期分析使用，并對(duì)以上信息進(jìn)行命名。在導(dǎo)入網(wǎng)格后，需要對(duì)幾何體進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格的目的是進(jìn)行各個(gè)單元數(shù)值求解。網(wǎng)格最好是畫(huà)成六面體為主的網(wǎng)格類型，這樣的網(wǎng)格相對(duì)分析準(zhǔn)確，精度高，如圖4所示。

進(jìn)入靜力分析的求解設(shè)置模塊，點(diǎn)擊model進(jìn)入，本測(cè)具含有三個(gè)固定支撐點(diǎn)，并受到重力作用，這些受力需要通過(guò)求解設(shè)置模塊進(jìn)行求解設(shè)置，具體設(shè)置如圖5所示。通過(guò)standard Earth Gravity（標(biāo)準(zhǔn)地球引力）加載整個(gè)設(shè)備的重力作用，并指定重力方向，如圖重力方向是Z軸的負(fù)向，因此重力選擇-Z；除重力選擇外，還需選擇基體材料，即要指定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的基體材料是T8A或45鋼。

通過(guò)Fixed Support確定固定支撐點(diǎn)，一共三個(gè)支點(diǎn)，都要通過(guò)這個(gè)命令進(jìn)行定義，如圖6。通過(guò)以上兩步完成整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力加載，這個(gè)時(shí)候圖形顯示窗口會(huì)顯示受力的加載狀況，最后進(jìn)行求解，完成受力的求解過(guò)程。

完成求解后，分析整個(gè)零部件的受力狀況，如圖7。通過(guò)軟件分析能夠得到：45鋼這個(gè)時(shí)候最大的變形值為2.1515e-006m。

同理，針對(duì)T8A進(jìn)行一樣的分析，過(guò)程與45鋼一樣，只是在選擇材料屬性的時(shí)候，選擇T8A就可以，完成求解，并得到最終的變形效果，如圖8，T8A最大的變形值為1.927e-006m。

針對(duì)45鋼和T8A材料鋼基體的有限元進(jìn)行的變形靜力分析，得出同樣弓型基體結(jié)構(gòu)最優(yōu)的材料選擇是T8A較好，同時(shí)確定出測(cè)具基體最輕狀態(tài)、最優(yōu)結(jié)構(gòu)框架。

參考文獻(xiàn)

[1]博創(chuàng)設(shè)計(jì)坊組.UG NX 7.5完全自學(xué)手冊(cè)[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]聯(lián)合編寫組.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，1979.

[3]ANSYS有限元分析從入門到精通[M].人民郵電出版社，2010.

作者簡(jiǎn)介：錢寶娟，工裝廠設(shè)計(jì)科，三級(jí)技術(shù)專家，工程師，一直從事工裝量具設(shè)計(jì)工作。