CADCAE自动轴节加紧装置设计.docx

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CADCAE自动轴节加紧装置设计

自动肘节加紧装置

姓名：

班级：

学号：

指导教师：

第1章研究任务简介1

1.1课程目标1

1.2课程选题及主要工作内容1

第2章自动肘节加紧装置结构设计2

2.1Solidworks三维仿真软件介绍2

2.2自动肘节加紧装置设计2

2.2.1自由度的确定3

2.2.2自动肘节夹紧装置的设计3

2.3本章小结5

第3章自动肘节夹紧装置分析5

3.1ANSYS有限元分析软件简介5

3.2建模过程6

3.2.1三维模型的导入及前处理6

3.2.2施加约束和载荷及处理结果7

3.4本章小结10

第4章自动肘节夹紧装置动力学分析10

4.1ADAMS虚拟样机仿真软件简介10

4.2动力学分析10

4.3本章小结11

项目总结11

第5章参考文献12

第1章研究任务简介

1.1课程目标

本教学环节是CAD/CAE技术在机械工程及材料加工工程方面应用的重要实践性环节，是学生对CAD及CAE相关课程的基本知识、原理、方法的综合运用和全面训练，是进一步提高学生使用软件进行设计、分析能力，达到专业硕士培养要求的重要手段。

本教学环节旨在使学生了解并掌握CAD/CAE技术进行设计和科学分析的一般性方法和技术流程，提高学生解决相关研究领域实际问题的能力，为进一步顺利进入研究课题和参与科研工作奠定基础。

1.2课程选题及主要工作内容

本课题是设计自动肘节加紧装置，实现φ40mm工件的50KN夹紧力加紧，并对主要的受力部件进行强度校核,以验证零件在给定的条件下静强度是否满足要求。

本装置实质为一个机械结构，在设计过程中涉及到的问题有装置结构的确定、装置自由度的分析、装置主要部件静力学分析、以及最后装置的动力学分析。

首先基于Solidworks软件对自动肘节加紧装置进行三维建模，然后应用ANSYS软件对整体结构进行静强度分析，最后对整体机构进行ANAMS动力学分析，以验证该机构是否满足设计要求。

本装置采用气缸为动力装置，推动机构进行夹紧动作。

在现代机械制造业中，为了提高效率和减轻劳动强度，人们越来越多地应用高效动力装置，来代替手动夹紧装置装夹工件。

如气动、液压、电动、电磁和真空等夹具，其中气动和液压夹紧装置应用最为广泛。

气动夹紧的动力源为压缩空气，压缩空气一般由集中供气站通过管路供应，经管路损失后的实际压力为0.4-0.6MPa[1]。

类似的气缸为动力元件的夹紧装置由图1-1所示

图1-1类似夹紧装置

第2章自动肘节加紧装置结构设计

2.1Solidworks三维仿真软件介绍

随着计算机软件的发展，在现代设计初期，多采用建模仿真软件，模拟设计中的各个部件以及各部件的连接、运动关系，以缩短机械设计、制造周期，同时大大提高设计的可靠性。

本设计中所用的建模仿真软件为Solidworks。

Solidworks是目前在我国应用比较广泛的工业设计自动化大型集成软件，所涉及的行业包括工业设计、机械、仿真、制造和数据管理、电路设计、汽车、航天、玩具等。

Solidworks软件功能强大，组件繁多，包括三维实体建模、三维曲面建模、模型的空间转换、显示控制和观察、零件装配及干涉检验、平面出图、渲染处理、资料验证、数据交换、文件管理及数据库、机械仿真分析等功能。

功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks的三大特点，使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。

SolidWorks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。

SolidWorks不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。

2.2自动肘节加紧装置设计

首先需要确定装置的结构简图，原则上要求简单，能实现所要求的任务为准，因此本装置结构简图，如图2-1所示。

图2-1结构简图

2.2.1自由度的确定

装置若气缸固定，自由度不能满足要求，气缸的尾部增加一个转动副，这样整体机构的自由度为1，满足要求，进行建模，因此机构简图如图2-2所示

图2-2机构简图

2.2.2自动肘节夹紧装置的设计

本装置通过气缸提供动力，底座和气缸之间通过短轴连接，短轴外有铜套，过盈配合，铜套与底座孔采用间隙配合，这样使气缸尾部可以绕短轴旋转，结合夹具的特点选用铜套而不用轴承连接零件，以下其余零件的连接均采用这方法。

各个零件通过短轴来连接，短轴两端有孔，用来固定，通过夹紧零件旋转对工件实施夹紧。

装置的整体结构如图2-3所示。

图2-3整体结构

气缸的选择CM2系列，缸径选择40mm，使用压力完全满足夹具的要求。

其规格如图2-4所示

图2-4气缸规格

其余主要零件如下图所示

图2-5连接头图2-6连杆1

图2-7连杆2图2-8夹紧件

图2-9铜套图2-10底座

2.3本章小结

本章的主要工作是基于Solidworks软件的自动肘节夹紧装置的三维模型设计。

首先根据工作原理进行各个零件的设计,然后进行三维实体设计，运用solidworks三维造型功能，绘制零件，进而组合转配，构造出自动肘节夹紧装置的三维实体造型。

实体造型的建立，为接下来要进行模拟仿真、有限元分析、动力学分析奠定了基础。

第3章自动肘节夹紧装置分析

3.1ANSYS有限元分析软件简介

ANSYS软件是融合结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件。

可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木、日用家电等一般工业及科学研究。

该软件可在大多数计算机及操作系统中运行，从PC到工作站到巨型计算机，ANSYS文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。

ANSYS可以进行结构分心、热分析、电磁分析、流体分析以及耦合场分析。

仿真协同环境的目标是，通过对产品研发流程中仿真环境的开发与实施，搭建一个具有自主知识产权的、集成多学科异构CAE技术的仿真系统。

所有与仿真工作相关的人、技术、数据在这个统一环境中协同工作，各类数据之间的交流、通讯和共享皆可在这个环境中完成。

开发这个协同仿真环境的平台便是ANSYSWorkbench。

Workbench是ANSYS公司开发的一种协同仿真环境。

Workbench集设计、优化、仿真、网格变形等功能于一体，其界面风格深受广大用户喜爱，其与CAD软件的接口非常好。

而且，其几何处理、网格划分和后处理能力十分强大，在各个领域得到了高度的评价和广泛的应用。

3.2建模过程

3.2.1三维模型的导入及前处理

在上一章中，已经建立了三维模型，把三维模型导入Workbench软件中，并将其与静态结构分析模块建立连接（如图3-1所示）。

图3-1

接下来进入Mechanical，依次对几何模型、坐标系、约束、网格划分进行详细设置。

夹紧装置的模型如图3-2所示

图3-2

对模型进行网格划分，因机构较简单，采用默认方式自动划分，如图3-3所示

图3-3网格划分

3.2.2施加约束和载荷及处理结果

夹紧装置对工件施加50KN的夹紧力，将力施加在夹紧零件上，应力结果如图3-4所示

图3-4应力结果

应变结果如图3-5所示

图3-5应变结果

X轴的形变如图3-6所示

图3-6X轴形变

Y轴的形变如图3-7所示

图3-7Y轴形变

Z轴的形变如图3-8所示

图3-8Z轴形变

从处理结果中可以看出，工件和与工件接触的加紧工件等效弹性应变比较大，和理论分析的结果一致，与此同时底座与零件连接处也承受应力较大，但在结构钢的承载范围内。

因此在设计零件时要加强此处，在实际使用中要经常检查此处，以防因疲劳失效致使机构破坏。

3.4本章小结

本章的主要工作是对自动肘节夹紧装置进行静强度分析，首先对整体结构进行静态结构分析，然后找承受应力比较大的零件和理论分析结果一致，证明结构合理。

第4章自动肘节夹紧装置动力学分析

4.1ADAMS虚拟样机仿真软件简介

ADAMS是专门用于机械产品虚拟开发的工具软件，通过虚拟样机和测试，在产品开发阶段就可以帮助设计者发现产品缺陷，并提出改进的方法。

ADAMS研究复杂系统的运动学关系和动力学关系，它以计算多体系统动力学为理论基础，结合高速计算机来对产品进行仿真计算，得到各种实验数据，帮助设计者发现问题并解决问题。

ADAMS可以进行刚性体建模、柔性体建模、参数化设计与计算、振动分析和液压传动等。

它除了基本的View模块和Postprocess模块之外，还集成了汽车模块（Car）、发动机模块（Engine）、振动模块（Vibration）、液压模块（Hydraulic）等。

其应用领域包括航空航天、汽车制造、铸造、噪声控制、产品设计的各个方面。

4.2动力学分析

首先，把第2章中建立的三维模型导入ADAMS软件中，选择Import，找到事先生成的Passward格式的文件,然后建立约束进行分析，首先对动力架添加固定约束，对各可动关节添加相应运动副，如图4-1所示

图4-1添加约束

运行分析，查看所需要的动力学结果图线，如速度、加速度的图线。

如图4-2所示

图4-2速度、加速度图

本机构对运动学并不需要严格的分析，满足夹紧工件的动作，只需查看运动趋势即可，如有明显的设计缺陷，然后加以改正。

4.3本章小结

本章在自动肘节夹紧装置实体建模的基础上，基于ADAMS软件完成了其动力学模拟仿真，夹紧装置对于动力学不是研究重点，仅给出了部分图线图。

项目总结

本项目是CAD/CAE技术在机械工程及材料加工工程方面应用的重要实践性应用，在此过程中，我得到了对CAD及CAE相关课程的基本知识、原理、方法的综合运用和全面训练，提高了解决相关研究领域实际问题的能力，为进一步提高使用软件进行设计、分析能力，顺利进入研究课题和参与科研工作奠定基础。

本项目选取的研究对象是自动肘节夹紧装置，首先基于Solidworks软件对自动肘节夹紧装置进行三维建模，然后应用ANSYS有限元分析软件对整体结构件进行静强度分析，最后对整体机构进行ANAMS动力学仿真，从而验证该机构是否满足设计要求。

在完成项目的过程中，我遇到了很多困难，得到了我的指导老师的悉心的指导，还有师兄的热心讲解。

限于作者水平，肯定还有不完善或疏忽的地方，比如ANSYS网格划分的控制、ANAMS驱动力的函数输入等等，我会在今后的学习和研究中进一步完善。

在整个项目过程中，我们从中学到了很多书本上学不到的知识，还培养了自主学习的能力。

认识到的不足之处，使我们明确地找到了接下来努力的方向，相信在接下来的课程学习和项目研究过程中我一定会有长足的进步。

第5章参考文献

[1]孙英达，徐文琴.气-液压增压夹紧装置[J].工艺设备，2004（477）：

64-65.