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:
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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.