机床动力卡盘的UG有限元分析

机床动力卡盘的U G有限元分析常德功,卢学玉(青岛科技大学机电学院,山东青岛266042)摘　要:介绍了U G软件的有限元数值模拟技术,并对卡盘机构进行了动力学仿真分析;分析所得结果为强度设计提供了依据。

本文所用的分析方法,有很强的实践应用性,对于设计工作有一定的指导意义。

同时也简化了设计过程。

关键词:卡盘;有限元方法;结构分析;强度校核中图分类号:TG751;TP39119　文献标识码:A　文章编号:167125276(2005)0120099203FEM of Pow er Chuck with UGCHAN G De2gong,L U Xue2yu(College of Electromechanical Engineering,Qingdao University ofScience and Technology,SD Qingdao266061,China)Abstract:This paper introduces the Finite Element Method numerical simulating technology and the dynamic simulation based on the U G software.Some numerical results have been obtained which can be used in calcu2 lations of stress.This method can be applied in direct design work.At the same time,it simplifies the process of design.K ey w ords:power chuck;finite element method(FEM);structural analysis;strength check0　引言在科技飞速发展的今天,产品设计已经进入到了一种全新的三维虚拟现实的设计环境中,以二维平面设计模式为代表的设计方式正在逐渐淡出“历史舞台”,取而代之的是各种数字化的三维设计技术。

U G(Unigraphics)软件是EDS公司(原Uni2 graphics Solutions公司,后成为其中U GS部门)推出的集CAD/CAE/CAM为一体的三维参数化设计软件之一,其最新的版本U G NX不但继承了原有U G软件的各种强大功能,而且与该公司的另一产品I-deas软件功能相互结合,共同构建了功能更加全面的辅助设计环境。

U G NX是当今最流行的CAD/CAE/CAM一体化软件,它内容丰富、功能强大,为用户提供了集成最先进的技术和一流实践经验的解决方案,能够把任何产品构想付诸于实际。

U G NX涵盖了工业设计中的制造、装配、加工、仿真和分析等领域。

工程设计中的一项重要工作是利用分析工具计算零部件的强度和刚度,分析零部件在一定载荷作用下产生的应力和应变,从而预知所设计的零部件是否满足要求,保证设计的可靠性。

对于大多数的工程技术问题,由于物体的几何形状比较复杂或者问题的某些特征是非线性的,则很少有解析解。

而借助于计算机获得满足工程要求的数值解成为现代工程学重要方法之一。

常用的分析工具是有限元分析(finite element analysis,简称FEA)。

U G 软件是一个集计算机辅助设计、制造和工程分析的三维参数化软件,其结构(Structures)设计提供了有限元分析功能。

在U G-Modeling应用中完成零部件三维造型后,可进入该模块进行结构分析和优化分析。

在U G的有限元分析模块中,用户可进行线性静态分析、模态分析、稳态热传导分析和热-结构分析等工作。

三爪自动定心卡盘是机械制造过程中广泛使用的夹持工件的通用夹具。

动力卡盘在高速数控机床中广泛应用。

然而,夹具设计中出现的问题错综复杂,尤其是一些模糊性问题使设计者难以迅速作出决策。

而运用有限元力学模型,计算卡盘的应力分布规律,为厂方改进设计方案提供了可靠的数据。

基金项目:青岛市科技局(03222GG224)。

M achi ne B uil di ng&A utomation,Fed2005,34(1):99～101,105・99　・1　卡盘在U G 下的有限元分析U G 有限元分析有两个主要模块:U G /Sce 2nario for Structures 和U G /Scenario for ANSYS 。

其中U G /Scenario for Structures 模块是集成的有限元分析工具,它使用MSC 划分网格,可用Struc 2turesP.E.、NASTRAN 和ANSYS 解算器计算(StructuresP.E.是由U GS 公司自己开发的线性有限元解算器)。

U G /Scenario for ANSYS 模块,使用ANSYS 格式划分网格,并用ANSYS 解算器计算。

本文就是在U G /Scenario for Structures 下进行建模仿真,用ANSYS 解算器计算求解。

U G /Scenario for Structures 是一个集成的CAE 工具。

它将几何模型转换成有限元模型进行分析求解,并以图形方式显示分析结果。

该模块是专门针对设计工程师和用几何模型进行分析的专业人员而开发的,其功能强大,使用方便。

概括起来,U G /Sce 2nario for Structures 具有以下特点:1)交互操作简单;2)前置处理功能强大;3)支持多种解算器;4)主模型与有限元数据的关联性好;5)集成性强;6)后置处理功能强。

以下是应用U G 结构分析功能对动力卡盘进行静态有限元分析。

应用U G 进行仿真分析,首先要抽象出系统的力学结构和物理特性,建立几何模型。

然后根据系统各零部件的运动规律确定其约束关系。

施加约束,最后施加力驱动或运动驱动,进行仿真分析。

改进后的卡盘结构如图1所示。

1—调整螺母;2—滑座;3—T 形块;4—连接螺钉;5—卡爪;6—滑轴;7—推拉螺钉;8—防尘盖;9—紧定螺钉;10—六角螺钉;11—卡体图1　卡盘结构示意图 动力卡盘数据:滑轴行程18mm ;卡爪行程7.6mm ;许用推拉力2200N ;最大夹紧力4500N ,最高转速4500r/min 。

1.1　创建几何模型卡盘作为工件的支撑点,滑轴通过推拉螺栓与拉杆相连,因此材料承受来自拉杆的推拉力。

对于动力卡盘材料考虑到要求性能好,就选用#45钢。

该材料的抗拉强度σb =N/mm 2。

滑轴的三个斜槽分别与滑座连接,也选用#45钢。

用U G 软件建立三维几何模型,经检查合格后造型如图2、图3。

图3是厂里现有的动力卡盘的滑轴。

图2　推拉螺钉图3　传统滑轴图1.2　网格划分1.2.1　定义单元属性U G 结构分析提供了两种类型的网格生成器:MSC 和ANSYS.MSC 实体网格生成器,用于实体上产生4节点或10节点的四面体单元。

此外,MSC 实体网格生成器,还可根据实体表面上存在的三角形壳单元产生四面体单元,并与之连接。

一般选用10节点四面体单元(Tetra10)。

ANSYS 实体网格生成器,提供了另外一种产生三维网格的方・100　・http :// E 2mail :ZZHD @ 《机械制造与自动化》法,当用户需要用实体边属性控制网格生成时,使用该生成器比较理想。

1.2.2　执行网格划分在工具条中单击创建三维网格图标(3D Mesh ),在弹出的对话框中设置Mesher 选项为MSC ,设置Type 为Tetra10,并在Overall Element Size 文本框中输入8,再在图形窗口中选择实体。

最后单击O K 或Apply 。

三维网格划分结果如图4所示。

图4　推拉螺钉应力分布图1.3　创建约束和载荷卡盘的滑轴来回运动,推动滑座径向移动。

为了限制推拉螺钉的轴向移动,要在圆柱体外环面限制X 、Y 、Z 三个方向的自由度。

同时在对称面上加对称约束。

滑轴移动要在内孔圆柱环面施加约束。

推拉螺钉受到最大力为2200N ,每个所受的载荷均按静力等效的原则移植到节点上,并在位移受约束的结点上根据实际情况设置约束条件。

滑轴在三个斜槽受力面上最大正压力为18333N 。

2　结果分析U G 软件应用分析提供了强大的后处理功能,可以自动生成计算报告,可以看出卡盘的推拉螺定和滑轴应力分布情况。

如图5所示,由结果看出卡盘的最大应力值在承载区的最上顶端,应力值以该点为中心向外递减,越远离载荷区的部位应力越小.按第四强度理论计算的局部最大应力320MPa ,分布在槽孔周围及拉杆约束处.所得结果与工厂提供的实际情况相符,表明建立的分析模型是合理的,能够反应卡盘的真实受力情况,根据卡盘设计规范:该滑轴大部分地区应力已满足要求,但槽面承载区变形较大,槽孔附近局部应力较大,在结构改进中应改进承载区域,避免载荷过于集中,合理设计卡盘的槽孔。

图5　原卡盘滑轴设计应力分布图通过U G 软件的静载荷计算得出卡盘推拉螺钉、滑轴的应力分布图如图5和图6所示。

图5中的应图6　滑轴改进后应力分布图力最大值点在圆柱下方的边缘处,值为σmax =118.5N/mm 2。

对于M16的螺栓#45钢材料,取安全系数S p =1.4得出应力为[σp ]=σS /S p =240/1.4=171.43N/mm 2 σmax <[σp ]所以推拉螺钉合格。

图5中滑轴的应力最大点在斜槽顶部边缘处。

σmax =322.5N/mm2对于滑轴一般取#45钢材料,取安全系数S =2[σ]=σb /S =600/2=300.00N/mm2 根据第四强度理论,由于σmax >[σ],故知零件斜孔处设计存在不足。

返回到几何模式下对零件的三维几何造型进行修改,将滑轴改为倒斜式,T 形槽修改为圆弧槽后重新进行数值模拟得出图6的应力分布图。

图6中最大应力为:σmax =245.6N/mm 2根据第四强度理论,由于σm ax <[σ]可知零件在斜槽处的强度得到改善,符合强度要求。

但考虑到滑轴零件受的最大应力接近许用应力,而且零(下转第105页)图3　云图4　结论基于确定性力学方法的齿板有限元仿真不能全面而真实地反映出齿板的实际受力状况,如果要优化齿板结构参数、节省耐磨材料,就应该应用模糊随机理论对齿板载荷施加法进行研究,建立齿板组破碎力概率分布函数和齿面受力分布隶属度函数,根据经验对齿板组的破碎力概率分布和齿面受力分布的隶属度进行试算,确定齿板各个齿的受力面分布载荷的大小。

根据破碎机齿板有限元仿真结果可知,基于模糊随机载荷法的齿板有限元仿真分析能够真实地反映齿板的受力状况,为齿板的结构优化提供可靠的理论依据,为节省价格较贵且难以加工的齿板耐磨材料找到新的途径,同时也为基于实体模型的有限元仿真分析的载荷值计算增添了新的理论方法。