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汽车计算机辅助设计

夹具支架的强度分析的有限元分析

摘要：

为了分析筋板的结构参数及筋板位置对夹具强度的影响，采用ANSYS软件对夹具进行强度分析。

通过Pro/E建模导入ANSYS、选择单元类型、划分网格、施加边界条件和求解等步骤建立夹具体的有限元模型，再对夹具进行强度和变形分析，得到出筋板的结构参数及筋板位置的影响情况，从而对夹具进行优化设计。

关键字：

夹具；结构参数；有限元分析；

1.引言

机床夹具是一种装夹工件的工艺装备，其作用是使工件相对于机床和刀具有一个正确的位置，并在加工过程中保持这个位置不变。

在现代生产中，机床夹具是一种必不可少的工艺装备，在保证加工精度、提高生产率、扩大机床的使用范围、降低生产成本、改善工人的劳动条件等方面有重大意义。

在对机床夹具的设计与分析中，传统的解析法在计算夹具筋板的结构参数和位置对夹具强度的影响时，计算比较繁琐且计算结果不准确。

故基于有限元分析软件ANSYS，对机床夹具的强度进行分析。

随着计算机技术的迅速发展，工程分析问题发生了根本的变化，大型通用结构分析程序日趋完善，使得复杂的工程结构分析得到很好的解决。

ANSYS公司创立与1970年，总部位于美国宾夕法尼亚州的匹兹堡，是世界CAE行业中的著名公司，其创始人JonhSwanson博士是匹兹堡大学力学系教授、是有限元界的权威。

经过30多年的发展，ANSYS软件已经发展成为一个融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的可在大多数计算机及操作系统中运行的大型通用有限元分析软件，在航空航天、机械制造、交通运输、土木工程、国防军工、船舶电子、生物医药、核工业、水利、能源、石油化工等行业有广泛的应用。

它具有很强的前后处理功能，使用方便，简化了许多繁琐的步骤。

并可以很好地实现对产品的设计、分析、优化、试验的协同管理，使设计人员、分析人员、试验人员、管理人员在一个平台上，实现各软硬件及数据等资源的共享与交流，极大地提高了设计研发的效率，在工程界得到广泛应用。

2.建立有限元模型

夹具支架的结构如图所示，各部件均有铝制材料制成，工作状态下，底板由三个螺栓固定，在竖向主支撑板上开有定位孔，并在该板顶部侧面承受载荷，根据实际要求，这里仅考虑支架总体的强度，不考虑螺栓连接带来的局部效应，将载荷简化为主支撑板顶部侧面的水平集中力F（如图），大小为500N。

夹具底部竖向受到约束，地面螺栓孔边各点不产生水平位移。

螺栓和定位孔的半径均为R，主支撑板和底板厚为T，筋板厚为T/2，铝质材料的弹性模量E=76GPa。

泊松比V=0.32。

进行夹具支架的有限元分析，改变的结构参数或筋板的位置，分析结构参数对受力结果的影响。

2.1有限元分析方法的基本原理

有限元法的基本思想是离散化，它将复杂的工程结构，或者说一个连续的弹性体，用虚拟的线分离成若干有限大小的构件，这些有限大小的构件就称为有限单元，即将原来的连续体离散化为有限个单元的组合体，每个单元具有较简单的形状，单元之间只在这些虚拟线的交点）称为节点上相互连接。

每个单元的变形完全由它的节点位移确定。

因此求解一个复杂结构的变形问题就化为求解有限个节点上的未知量的问题。

2.2应用Pro/E建立夹具体模型

对夹具体的强度分析主要考虑筋板的位置和厚度对夹具体强度的影响，在其他条件都不改变的条件下分别只改变筋板的位置和筋板的厚度来分析夹具体强度的变化情况。

2.2.1改变筋板的位置

不改变结构参数

在其它条件都不变的情况下将筋板分别向对称面移动T/2和T的距离，实际建模如下。

筋板向内移动T/2

将筋板向内移动T

2.2.2改变筋板的厚度

在其它条件都不变的情况下将筋板分别将筋板厚度减少和增加T/2，筋板厚度由原来的T分别变为T/2和3T/2建模如下。

筋板厚度由原来的T分别变为T/2

筋板厚度由原来的T分别变为3T/2

2.3选择单元类型

根据计算对象的具体情况（边界变化情况、应力变化情况等）、计算的精度要求、计算机容量大小、计算的经济性，以及是否有合适的程序等等因素进行全面分析比较，选择合适的单元形式。

为了提高计算精度并减少计算量，选择单元类型为8节点四面体单元So1id45；

SOLID45用于3维实体结构模型。

8个节点，每个节点3个自由度，x，y，z三个方向。

该元素有塑性，蠕变，膨胀，应力强化，大变形和大应变能力。

2.4划分网格

网格划分是有限元前处理的主要工作，网格划分的质量和优劣，将对计算结果产生相当大的影响。

通常划分的单元越多越密集，就越能反映实际结构状况，计算精度越高，但计算工作量越大，计算时间增长。

网格划分又有自由分网和映射分网两种方式。

自由网格划分对实体模型的形状无特殊要求，无论规则的还是不规则的几何模型都可以进行自由分网。

自由面网格可以由三角形或四边形单元组成，但自由体网格只能是四面体单元。

自由分网的网格一般呈不规则排列，而且分析精度往往不高。

映射网格必须满足特定的规则，生成的网格具有规则的形状且排列整齐，分析精度也很高。

对夹具支架进行网格单元划分。

选择自由网格划分方式。

几何参数不变的模型网格划分

2.5设立边界条件

在用ANSYS进行有限元分析时，边界条件的设定是很重要的，边界条件加的正确与否将直接影响求解结果的正确性，因此在求解时应根据抽象出的模型合理设定边界条件。

根据夹具的安装形式和受力情况，在夹具的底面施加Z方向的约束，在底部的螺栓孔同时施加X方向和Y方向的约束。

集中力施加在对称面最上方，沿-Y方向。

3.计算结果及分析

进入ANSYS求解模块，选择默认的求解器进行静态线性分析。

结构分析完成后进入通用后处理器浏览分析结果。

在对计算结果分析时，分别显示各个模型的vonMises等效应力分布云图、总的变形图和沿主承板高度方向的vonMises应力变化曲线。

3.1变形图

不改变结构参数筋板向内移动T/2

将筋板向内移动T筋板厚度由原来的T分别变为T/2

筋板厚度由原来的T分别变为3T/2

各种几何参数下对应的最大变形量表

原始模型

筋板内移T/2

筋板内移T

筋板减少T/2

筋板增加T/2

最大变形量

22.692

22.097

21.309

25.853

20.09

3.2等效应力分布云图

不改变结构参数筋板向内移动T/2

将筋板向内移动T筋板厚度由原来的T分别变为T/2

筋板厚度由原来的T分别变为3T/2

各种几何参数下对应的等效应力表

原始模型

筋板内移T/2

筋板内移T

筋板减少T/2

筋板增加T/2

最大等效应力

596558

630457

554832

623235

543561

最小等效应力

496.719

399.001

291.934

343.987

403.184

3.3应力变化曲线

不改变结构参数筋板向内移动T/2

将筋板向内移动T筋板厚度由原来的T分别变为T/2

筋板厚度由原来的T分别变为3T/2

由应力分布曲线图，对各个模型基本的应力情况统计如下（每单位应力x104）

原始模型

筋板内移T/2

筋板内移T

筋板减少T/2

筋板增加T/2

主承板的

最大应力

1729.852

1592.032

1414.736

1030.000

998.428

中间高度

位置应力

1291.652

855.068

732.365

970.305

880.590

3.4计算结果的分析

3.4.1强度分析

通过对各个模型求解的求解，结合各个模型的vonMises等效应力分布云图和沿主承板高度方向的vonMises应力变化曲线，可以得到以下结论：

1）筋板内移和增加筋板厚度都能在一定程度上提高主承板的强度；

2）筋板的位越靠近对称面，夹具主承板承受的最大应力越小，其强度越高；

3）筋板的厚度越大，夹具主承板承受的最大应力越小，其强度越高；

4）在达到中间高度位置前，应力随高度增加而增加，中间高度位置和最高位置是两处应力集中的地方，其中最大应力多发生在最高位置集中力作用点。

5）通过增加筋板厚度来提高主承板强度比通过改变筋板位置来提高主承板强度的效果更明显。

3.4.2变形分析

由等效应力分布云图读出各个模型的最大变形量DMX，对各个模型基本的ZU最大变形情况统计如下

原始模型

筋板内移T/2

筋板内移T

筋板减少T/2

筋板增加T/2

最大变形量

22.692

22.097

21.309

25.853

20.09

通过对表格的统计结果进行分析，可以得到以下结论：

1）筋板内移可以减小主承板的变形，提高支撑刚度；

2）筋板的位越靠近对称面，夹具主承板承刚度越高；

3）在一定范围内，增加筋板厚度可以提高主承板承刚度刚度，超出这个范围后，筋板厚度增加对主承板刚度影响不大。

综上分析，筋板内移不仅可以增加主承板的强度，还可以增加主承板的刚度，是能够满足要求的。

增加筋板的厚度可以提高主承板的强度，但对刚度的影响不大，是满足要求；但减小筋板厚度对主承板的刚度影响较大，会直接带来受力夹紧误差，影响工件的装夹定位精度，不满足要求。

结语

应用建立夹具支架的实体模型，然后导入ANSYS有限元软件中进行选择恰当的单元类型﹑合理设定边界条件和恰当网格划分方法，对夹具进行了强度和变形分析，找到了筋板的结构参数和筋板的位置对夹具强度的影响。

分析结果表明，适当地增加夹具筋板的厚度和适当的减小筋板与集中力的距离可以提高夹具的强度。

在实际设计夹具时，将两者结合起来考虑，可以对夹具进行优化设计，改善夹具结构，提高夹具的强度。

由于本文的模型尺寸和集中力大小均为自行设计得到，现实生产中并没有实际意义。

但通过对有限元软件学习得到了进行产品强度方面设计的方法，也锻炼了使用Pro/E建模和应用ANSYS对其进行分析的初步操作能力。