计算机虚拟仿真在机匣夹具设计中的应用

计算机虚拟仿真在机匣夹具设计中的应用

温亮周代忠

中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司辽宁沈阳110043

摘要：本课题选用计算机虚拟仿真技术对零件加工过程中涉及的夹具重量，结构等问题进行分析，将零件复杂的夹具结构、零件夹紧等通过软件模拟展现。使用ABAQUS及DMU电子样机软件，进行夹具优化、现场应用模拟，分析夹具设计的科学性，提前优化方案，提高一次加工质量，降低生产成本及研制风险。

关键词：有限元分析；夹具减重设计

1引言

制造企业存在降低成本的需要，都要求设计人员用更科学的设计方法，在保证产品高质量的前提下，使用尽量少的材料，以最大限度地节约成本。

而在传统结构优化设计流程中，往往是在详细设计完成并形成实际夹具模型后，设计人员根据现场工人使用情况，调整后往往再次由设计师进行优化，即“设计—实际使用—论证修改—再设计”的模式，这样一方面会消耗大量的时间，一方面详细设计已经完成，往往由于开发周期的限制，一些大的改动已经不能接受，得到的并不是真正的最优方案。

Abaqus有限元软件的拓扑优化模块应用于设计周期的最前端即概念设计阶段，是一个是以有限元法为基础，面向产品设计、分析和优化的有限元和结构优化求解器。

设计师使用软件根据构件的受力、支撑等因素，利用优化技术获得材料的最佳承力结构，并在此基础上进行详细设计。既节省了大量反复的工作，减少了开发周期，又保证设计出最优方案。

2.方案分析

某机匣由于圆周尺寸较大壁厚较薄，最薄处仅2.5mm，在此状态下加工易变形，针对零件的结构特点派制涨紧夹具，对2.5壁厚部位进行涨紧结构的辅助支撑，零件结构强度得到增强，加工过程中的零件变形得到控制。

现场使用夹具整体重量为300kg以上，工人夹紧找正不易使用，亟需减少夹具重量满足使用要求。使用物理仿真拓扑优化的功能，在满足使用强度的前提下尽可能减轻夹具重量。

由于涉及零件数量较多，选取承力座及主体框架两关键零件进行分析。

3.优化过程

承力座为夹具施加涨紧力的关键部件，为实心凸台形式，设计时为满足强度要求，其结构上存在较大余量，不便于零件安装使用。根据手册经验设计存在较大余量，针对夹具减重目前黎明公司暂无相关参考，迫切需要一种有理论依据的夹具设计方式。

在优化过程中不改变初始结构，通过优化计算，挖掉结构中的多余部分，所剩部分构成的形状被认为是结构优化的结果。设计空间一般选取优化对象所占据的最大可能区域，以充分挖掘优化潜力，同时要保证约束及载荷能够有效传递到结构上，以及结构的工艺性。通过拓扑优化功能对零件多余区域进行去除，变形及应力较大区域为冻结区域，其中材料应尽可能予以保留，其余部分均为设计优化空间。经软件分析设定所需减重百分比与最大变形约束，使优化过程得到有效控制，避免出现超过许用要求的状态。

在Abaqus优化中，需要定义部件所承受的受力及约束条件，也可以同时定义在多种工况下进行优化，以保证构件在不同工况下均符合要求。

建立固定块零件有限元模型如图所示，共划分单元数为125482个，其中安装孔周围及接触面部分设为冻结区域，并添加固定约束。优化区域为整个模型，约束条件优化减少为90%，并且边缘变形不大于0.001mm。

在图示区域添加载荷Ft，提交优化软件进行计算，如图3.1所示。

图3.1承力座有限元模型图3.2夹具受力分析图

对夹具进行受力分析如图3.2所示，涨紧环周围均布八个涨紧块，使用拧紧螺栓顶住涨紧环带动涨紧块贴近整体承力框架，直到塞尺不过为止。经据经验估计Fn为100N左右，查询相关技术手册得到钢材与钢材间摩擦系数为μ=0.15。计算支座零件受力Ft。根据力矩平衡关系，得到以下结果：

图3零件重量优化变化

通过仿真计算，在加载载荷后零件变形最大的区域为距离约束部分较远的挡板边缘处，和分析位置相同，在零件形状变化过程中，零件由于刚性稳定，其应变位移基本保持不变。

经过有限元仿真分析，确定零件优化方案，由图可见在整个优化过程中零件刚性较好，在优化过程中零件最大位移量保持稳定。零件最大应力存在与转接角处，稍有提高。优化后最大为6.453Mpa，而夹具结构钢的最大屈服强度为235Mpa，对零件结构强度无影响。最终方案强度、刚度均符合要求，重量相比优化前减少了13.3%，如图3.3所示。并且由于结构布局良好，所需材料也少于传统设计，减少了成本，提高了可靠性。

与上述零件设计方式类似，优化本夹具中主要部件为支撑框架结构，框架主体重量占整个夹具重量的30%以上，对此零件优化可有效减少夹具重量。设置夹具减重目标为90%，并且夹具结合面边缘变形不大于0.001mm。零件优化后重量可减少重量8.5%。所需去除重量部位为夹具内环表面，对夹具装配不产生影响，可以通过简单车削去除该处余量，加工难度较低，无需进行大量加工工序即可完成优化。

4.结论

利用Abaqus软件协助设计夹具，在设计早期引入优化的观念，考虑夹具的最佳受力状态，得到的最终设计方案。在后续的优化过程中，只需针对局部细节进行修改，从而避免可能出现的重大变化，保证设计出最优的产品，同时也减少了设计人员和CAE人员反复沟通的时间，大大缩短了开发周期。