加工中心夹具装夹变形分析过程
装夹变形分析过程
4.3.1夹具装夹有限元分析步骤及分类
加工中心夹具装夹的有限元分析基本步骤和其他类型的结构分析基本一致。大致可分 成三个阶段，前置处理、分析处理及后置处理。在实际的分析中，可根据分析对象，分析 问题的方向等因素确定分析流程，在结构分析中，分析步骤流程大致是相同的，具体步骤 见图4.2
由于加工中心的类别不同，夹持的工件种类的不同及加工时的运动方式不同，例如 铣削平面、轴类加工。这就使得在进行这类分析变形时应考虑多方面因素，选取不同的求 解方向及思路。步骤上以上述三个阶段流程为基本路线，在具体的求解要求中根据不同类 别及需要做具体的调整，本人针对涉及到的加工中心夹具库资源，将该类夹具分为回转类 和非冋转类。这两类分析的方向是不同的，具体如下：
①回转类的加工中心夹具通常夹具体通过动力机构被吸附在机床上，所加持的零件往 往不是动力夹紧，这种情况下计算夹紧力的参考数据是没有意义的，但在回转类零件加工 时，工件随着夹具一同运动，回转的稳定性及振动特性对夹具设计及实际加工是非常重要 的。针对这类情况，对其进行模态分析得出结构振动特性，在设计之前避免结构之间可能 引起的共振，位给加工回转速度提供数据参考。
②非回转类的加工中心夹具我们分析的要求是得到一个夹紧力的参考值，因而我 们对载荷与变形的关系比较关心。在这类分析时，实际情况比较多，影响分析判断的因素 也很多。具体地说，当夹具体的夹紧元件存在细长结构或者压缩结构时，应考虑对其进行 屈曲失稳分析；当夹紧元件的结构不规则或者是材料属于超弹性材料时，应对其进行结构 非线性分析：在分析过程中，夹紧必然会导致两者的接触，接触的类型判断影响着分析方 向的判断，因此在对这类夹具进行有限元分析之前，必须搞清楚这些问题，才能准确的把 握分析方向。
4.3. 2实例分析
本文以上文所提到的加工中心夹具所夹持的某道工序上的零件为例，具体阐述有限元 变形分析的步骤，对实际装夹情况下出现的微变形进行仿真。
此实例涉及夹具体不属于回转类，且夹紧元件非细长杆，夹具的结构规则，材料非超 弹性，在接触类型上属于绑定类，因此分析的要求是变形与载荷的关系，属于线性变形分 析。
⑴几何模型的建立
在ansys中有两种获取几何模型的方式，分别是利用自身designmodeler功能创建模 型；导入其他软件的模型，如nx、catia、proe等cad软件，不过在第三方软件导入 时候有格式的要求，这些文件必须是iges、step、parasolid、x_t格式中的一种，否则不 能将模型导入ansys进行分析计算[411。此外，从第三方导入的文件如果在安装时没有设 定于ansys接合，那么此文件与原来第三方文件则无关联性。若想使cad软件的模型与 导入designmodeler中的模型依然保持关联性，即二者可以相互刷新、协同建模，则需要 将designmodeler嵌入主流cad中。
此类本文采用导入外部模型方式获取几何模型。第三方软件依然是nx5.0。在nx中， 导出文件的格式类型有iges、step两种可以嵌入ansys的类型。其中iges格式的文件被 导出后默认删除了其他参数及特征几何，只保留实体特征，在ansys中不显示实体，不 符合需要做分析的要求，因此采用输出step文件格式类型。
本实例采用step格式的装配体文件，如图4.3所示
该装配体主要是为了模拟夹具夹持工件过程，左右是两个不同的v型块，通过一定 的载荷使得工件自由度受到限制。分析在一定的变形范围内大的夹紧力数据。
启动ansysu-workbench,进入后先保存文件再关闭信息框，这是因为系统通常会把 所有的数据放在一个文件里，为了方便管理，故*行保存以自动生成数据文件夹。将 workbench左侧的geomertey模块拖入空白处，出现名为a的geomertey块。选中a2后 选择模型路径进行导入。过程如图4.4所示
导入后对模型单位进行过定义，该模型定义单位为mm。之后建立结构分析项，将 static structural拖入a块，并设定结构分析项为3d类型。
(2)模型材料的选取
本实例涉及三个部件，两种材料，两个v块材料一致。确定各部件的名称后开始加 材料特性，即弹性模量和泊松比。在engineering date中添加所需材料，选取所需修改项, 在弹出的对话框中输入材料参数，弹性模量为5el〗pa，泊松比为0.28。工件材料选取默 认结构钢。过程如图4.6所示
图4. 6材料添加及选取
由于本模型是装配体，所有必须对模型之间的接触进行定义。在ansys】2-workbench 中，接触类型有5中:绑定（bounded)、不分离（no separation)、光滑无摩擦（frictionless)、 粗糙（rough)、摩擦（frictional)。如图4.7所示
表4. 1 5种接触类型特点
接触类型
迭代次数
法向分离
切向滑动
绑定
一次
无间隙
不能滑动
不分离
--次
无间隙
允许滑动
光滑无摩擦
多次
允许有间隙
允许滑动
袓糙
多次
允许有间隙
不能滑动
)學擦
多次
允许冇间隙
允许滑动
本实例的接触是v块的面与圆柱面的接触，在切向不能滑动，法向不能分离，属于 绑定接触类型，所以将接触类型设定为绑定。
(3)网格划分
不同于经典版本的ansys，在workbench中，网格划分是一个独立的求解工具，根据 不同求解需要划分不同类型的网格，网格的划分质量对分析结果影响很大，因此这是有限 元分析中很关键的一个步骤。workbench提供两大类文件类型，分别是计算流体力学网格 和有限元网格。本文所要进行的分析对象是机械结构，要划分的网格文件类型属于有限元 网格类型的范畴。
对于三维几何体，软件提供5种不同的划分网格法。
四面体网格划分法：针对三维网格的这几种方法中，四面体划分是相对容易的。在 ansysl2-workbench中四面体网格生成基于两种方法，一种是混合网格算法，这种算法生 成网格的特点是考虑了几何体上的面及边界，在同一几何体上可以有不同的网格类型；另 一种是利用四面体网格划分器算法，这种算法对于几何体上的面及边界等的影响可能被忽 略，即粗糙的网格可能会忽略几何体表面的细节。
扫掠法:划分对象必须是可扫掠的规则几何体，主要产生六面体网格或者棱柱形网格。
自动划分法：该方法实际上结合了四面体和扫掠型法，被划分的网格形状取决于结构 是否规则。如结构规则可被扫掠则生六面体，反之则生成四面体网格。
hex-dominant:该方法在一个结构的表面和内部产生不同的网格类型，模型的外面生 成六面体单元，里面为四面体单元。这种方法适用于块状的几何体，对于细长类几何体并 不适用。
多域法：主要用来划分六面体网格，特点是具有几何体自动分解的功能，无需将对象 切成规则体来扫掠产生六面体网格。
结合这几种三维实体划分法的适用范围，以及模型的特点，本文将分别使用四面体网 格划分法、扫掠法、自动划分法分别对工件、v块1、v块2进行网格划分。划分结果如 图4.8所示
图4. 8网格划分
(4)添加约束条件
为v型块相向加载0.025mm的位移量，将v块的横向自由度加以限制，在横向方向 上输入0即可将此方向自由度限制。在工件上两圆柱结构之间的平面设定为固定约束。过 程如图4.9所示
图4. 9添加位移约束
(5)求解及后处理结果
点击solution (b6)切换到求解环境，点击solve按钮进行求解。在结果（solution) 中插入变形 deformation-total、等效应力 equivalent stress、支反力 force reaction。并设 定变形计应力对象只为工件。点击solve按钮进行求解，结果如图4.10、4.11、4.12所示
图4. 10工件变形图
图4. 11等效应力图
在结果的变形中插入x方向支反力并计算。执行sohition-insert-probe-force reaction
命令，再在详细栏中确定为位移（displacement)，如图4.12所示
图4. 12支反力数据
数据分析结果为在x方向上大变形对应的作用力为3914.2n,由于是在实际夹持过 程中，两侧同时夹紧工件，而因工件收到的力与反作用力大小相等、方向相反的原理，可 以得出夹紧元件的夹紧力不能超过大支反力，否则造成工件由于夹紧力过大而报废。
本实例分析可以作为一个夹紧力与工件变形的一个缩影，意在于通过新的方法对动力 源加工中心夹紧的夹紧进行优化控制。
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4.3.1夹具装夹有限元分析步骤及分类
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由于加工中心的类别不同，夹持的工件种类的不同及加工时的运动方式不同，例如 铣削平面、轴类加工。这就使得在进行这类分析变形时应考虑多方面因素，选取不同的求 解方向及思路。步骤上以上述三个阶段流程为基本路线，在具体的求解要求中根据不同类 别及需要做具体的调整，本人针对涉及到的加工中心夹具库资源，将该类夹具分为回转类 和非冋转类。这两类分析的方向是不同的，具体如下：
①回转类的加工中心夹具通常夹具体通过动力机构被吸附在机床上，所加持的零件往 往不是动力夹紧，这种情况下计算夹紧力的参考数据是没有意义的，但在回转类零件加工 时，工件随着夹具一同运动，回转的稳定性及振动特性对夹具设计及实际加工是非常重要 的。针对这类情况，对其进行模态分析得出结构振动特性，在设计之前避免结构之间可能 引起的共振，位给加工回转速度提供数据参考。
②非回转类的加工中心夹具我们分析的要求是得到一个夹紧力的参考值，因而我 们对载荷与变形的关系比较关心。在这类分析时，实际情况比较多，影响分析判断的因素 也很多。具体地说，当夹具体的夹紧元件存在细长结构或者压缩结构时，应考虑对其进行 屈曲失稳分析；当夹紧元件的结构不规则或者是材料属于超弹性材料时，应对其进行结构 非线性分析：在分析过程中，夹紧必然会导致两者的接触，接触的类型判断影响着分析方 向的判断，因此在对这类夹具进行有限元分析之前，必须搞清楚这些问题，才能准确的把 握分析方向。
4.3. 2实例分析
本文以上文所提到的加工中心夹具所夹持的某道工序上的零件为例，具体阐述有限元 变形分析的步骤，对实际装夹情况下出现的微变形进行仿真。
此实例涉及夹具体不属于回转类，且夹紧元件非细长杆，夹具的结构规则，材料非超 弹性，在接触类型上属于绑定类，因此分析的要求是变形与载荷的关系，属于线性变形分 析。
⑴几何模型的建立
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本实例采用step格式的装配体文件，如图4.3所示
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导入后对模型单位进行过定义，该模型定义单位为mm。之后建立结构分析项，将 static structural拖入a块，并设定结构分析项为3d类型。
(2)模型材料的选取
本实例涉及三个部件，两种材料，两个v块材料一致。确定各部件的名称后开始加 材料特性，即弹性模量和泊松比。在engineering date中添加所需材料，选取所需修改项, 在弹出的对话框中输入材料参数，弹性模量为5el〗pa，泊松比为0.28。工件材料选取默 认结构钢。过程如图4.6所示
图4. 6材料添加及选取
由于本模型是装配体，所有必须对模型之间的接触进行定义。在ansys】2-workbench 中，接触类型有5中:绑定（bounded)、不分离（no separation)、光滑无摩擦（frictionless)、 粗糙（rough)、摩擦（frictional)。如图4.7所示
表4. 1 5种接触类型特点
接触类型
迭代次数
法向分离
切向滑动
绑定
一次
无间隙
不能滑动
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多次
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(3)网格划分
不同于经典版本的ansys，在workbench中，网格划分是一个独立的求解工具，根据 不同求解需要划分不同类型的网格，网格的划分质量对分析结果影响很大，因此这是有限 元分析中很关键的一个步骤。workbench提供两大类文件类型，分别是计算流体力学网格 和有限元网格。本文所要进行的分析对象是机械结构，要划分的网格文件类型属于有限元 网格类型的范畴。
对于三维几何体，软件提供5种不同的划分网格法。
四面体网格划分法：针对三维网格的这几种方法中，四面体划分是相对容易的。在 ansysl2-workbench中四面体网格生成基于两种方法，一种是混合网格算法，这种算法生 成网格的特点是考虑了几何体上的面及边界，在同一几何体上可以有不同的网格类型；另 一种是利用四面体网格划分器算法，这种算法对于几何体上的面及边界等的影响可能被忽 略，即粗糙的网格可能会忽略几何体表面的细节。
扫掠法:划分对象必须是可扫掠的规则几何体，主要产生六面体网格或者棱柱形网格。
自动划分法：该方法实际上结合了四面体和扫掠型法，被划分的网格形状取决于结构 是否规则。如结构规则可被扫掠则生六面体，反之则生成四面体网格。
hex-dominant:该方法在一个结构的表面和内部产生不同的网格类型，模型的外面生 成六面体单元，里面为四面体单元。这种方法适用于块状的几何体，对于细长类几何体并 不适用。
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结合这几种三维实体划分法的适用范围，以及模型的特点，本文将分别使用四面体网 格划分法、扫掠法、自动划分法分别对工件、v块1、v块2进行网格划分。划分结果如 图4.8所示
图4. 8网格划分
(4)添加约束条件
为v型块相向加载0.025mm的位移量，将v块的横向自由度加以限制，在横向方向 上输入0即可将此方向自由度限制。在工件上两圆柱结构之间的平面设定为固定约束。过 程如图4.9所示
图4. 9添加位移约束
(5)求解及后处理结果
点击solution (b6)切换到求解环境，点击solve按钮进行求解。在结果（solution) 中插入变形 deformation-total、等效应力 equivalent stress、支反力 force reaction。并设 定变形计应力对象只为工件。点击solve按钮进行求解，结果如图4.10、4.11、4.12所示
图4. 10工件变形图
图4. 11等效应力图
在结果的变形中插入x方向支反力并计算。执行sohition-insert-probe-force reaction
命令，再在详细栏中确定为位移（displacement)，如图4.12所示
图4. 12支反力数据
数据分析结果为在x方向上大变形对应的作用力为3914.2n,由于是在实际夹持过 程中，两侧同时夹紧工件，而因工件收到的力与反作用力大小相等、方向相反的原理，可 以得出夹紧元件的夹紧力不能超过大支反力，否则造成工件由于夹紧力过大而报废。
本实例分析可以作为一个夹紧力与工件变形的一个缩影，意在于通过新的方法对动力 源加工中心夹紧的夹紧进行优化控制。
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