□ 趙 昊 □ 李智春

1.鎮(zhèn)江市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 江蘇鎮(zhèn)江 212132 2.昆山施耐特機(jī)械有限公司 江蘇昆山 215337

1 設(shè)計(jì)背景

手鉗體是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便靈活的鉚接裝備,機(jī)體質(zhì)量大,剛性較差。采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式設(shè)計(jì)手鉗體,存在一些缺陷,導(dǎo)致產(chǎn)品缺乏競(jìng)爭(zhēng)力,因此需要設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合理、質(zhì)量較小,并滿足強(qiáng)度、剛度等要求的手鉗體[1-4]。

筆者應(yīng)用SolidWorks軟件建立手鉗體有限元模型,進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),進(jìn)而減小手鉗體的質(zhì)量[5-6]。

2 有限元分析

手鉗體機(jī)身呈C字形開口,最大沖擊力為90 kN。工作中,工人手持手鉗體,最大應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)位置為下工作臺(tái)面與喉口連接部位,工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生剛度變形和角剛度變形,使下工作臺(tái)發(fā)生傾斜,進(jìn)而影響模具壽命和鉚接件成型質(zhì)量。

2.1 建模

建立合理的手鉗體三維模型,有利于進(jìn)行有限元分析。手鉗體三維模型如圖1所示。

圖1 手鉗體三維模型

2.2 網(wǎng)格劃分

有限元法通過求解偏微分方程,由單元網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位移求出單元應(yīng)力和應(yīng)變,再離散近似空間內(nèi)的復(fù)雜形狀。網(wǎng)格劃分時(shí),采用二階實(shí)體四面體單元,單元尺寸大小為10.00 mm,誤差為0.500 mm。手鉗體三維模型共劃分為85 166個(gè)單元格、125 235個(gè)節(jié)點(diǎn),得到有限元模型,如圖2所示。

圖2 手鉗體有限元模型

2.3 材料

手鉗體所用材料為45號(hào)鋼,其材料性能參數(shù)見表1。

表1 45號(hào)鋼性能參數(shù)

2.4 邊界條件

在手鉗體實(shí)際工作狀態(tài)下,工作臺(tái)面受到來自液壓缸的沖壓載荷,因此,在工作臺(tái)面上施加法向公稱力100 kN,并對(duì)手鉗體機(jī)體施加重力載荷。手鉗體由機(jī)架吊鉤固定,并由工人手持,因此對(duì)手鉗體上側(cè)的節(jié)點(diǎn)位移進(jìn)行約束。

2.5 分析結(jié)果

手鉗體等效應(yīng)力云圖如圖3所示,合位移云圖如圖4所示。

圖3 手鉗體等效應(yīng)力云圖

圖4 手鉗體合位移云圖

通過等效應(yīng)力云圖和合位移云圖,可以直觀看出手鉗體應(yīng)力集中和機(jī)身易變形的部位。手鉗體應(yīng)力分布出現(xiàn)局部不平衡,應(yīng)力集中在機(jī)身喉口過渡圓角處,最大應(yīng)力達(dá)到241.6 MPa。45號(hào)鋼的屈服強(qiáng)度為355 MPa,說明實(shí)際工作中手鉗體機(jī)身的強(qiáng)度還有一定裕量。手鉗體下工作臺(tái)面邊緣處的位移較大,其它各處的位移較小。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),通常需要進(jìn)行大量仿真試驗(yàn),來確定約束函數(shù)和目標(biāo)函數(shù)的線性回歸參數(shù),進(jìn)而建立數(shù)學(xué)模型,然后通過編程、計(jì)算得到優(yōu)化結(jié)果[7-8]。應(yīng)用SolidWorks軟件的系統(tǒng)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)算例工具,可以省去以上煩瑣易錯(cuò)的工作,并且得到理想的優(yōu)化結(jié)果[9-10]。

SolidWorks軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)算例工具包含設(shè)計(jì)變量、約束、目標(biāo)變量三個(gè)選項(xiàng)。手鉗體優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 手鉗體優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

3.1 目標(biāo)變量

手鉗體優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)為在保證滿足應(yīng)力、剛度、角剛度的條件下,使手鉗體質(zhì)量最小,即定義質(zhì)量最小。

3.2 設(shè)計(jì)變量

設(shè)計(jì)變量有鉗體厚、上槽高、下槽高、上槽長(zhǎng)、下槽長(zhǎng)、側(cè)槽寬、手柄孔徑、喉口圓角半徑,如圖6所示。這些設(shè)計(jì)變量由系統(tǒng)自動(dòng)組合,形成324種設(shè)計(jì)情形進(jìn)行迭代計(jì)算。

圖6 設(shè)計(jì)變量

3.3 約束

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范,在減小手鉗體質(zhì)量的同時(shí),必須滿足應(yīng)力和角變形限制。

手鉗體材料為45號(hào)鋼,屈服強(qiáng)度為355 MPa,取安全因子為 1.25,則定義最大等效應(yīng)力不大于284 MPa。

機(jī)身的剛度控制取決于豎直位移和水平位移,定義最大豎直位移和最大水平位移均不大于0.1 mm。

3.4 迭代計(jì)算

將以上參數(shù)輸入SolidWorks 軟件,根據(jù)設(shè)定的變量和約束,系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行迭代計(jì)算,如圖7所示。

圖7 序號(hào)迭代計(jì)算

3.5 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

手鉗體優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果見表2。由表2可知,在滿足手鉗體安全工況的條件下,手鉗體的質(zhì)量由55 kg減小至43.5 kg,減小量為11.5 kg,減小幅度達(dá)到20.9%。最大應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)位置仍然位于下工作臺(tái)面與喉口連接的部位,雖然應(yīng)力峰值有所增大,但是仍然在安全允許范圍內(nèi)。剛度和角剛度的變化很小,說明優(yōu)化后減小了設(shè)計(jì)冗余,可以更加充分地發(fā)揮材料性能。

表2 手鉗體優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

4 結(jié)束語

筆者對(duì)鉚接裝備手鉗體進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),降低了生產(chǎn)成本,壓縮了產(chǎn)品研發(fā)周期,提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。