基于ABAQUS的夹具结构强度和优化分析
- 格式：pdf
- 大小：223.48 KB
- 文档页数：6
2012 SIMULIA 中国区用户大会 1
基于ABAQUS 的夹具结构强度和优化分析
刘长虹，庞富龙，赵硕，柯敏辉
1、华东理工大学，机动学院实验17楼，上海，200237
摘要: 针对某吊装用夹具结构，本文利用ABAQUS/Standard 分析模块，对夹具结构进行了有限元结构分析和形状优化计算。
首先根据材料拉伸试验数据，把名义应力和应变转变成为真实应力、应变数据并对数据曲线进行了正规化处理。
然后根据使用不同材料性质，计算出结构工作时的等效应力以及卸载后的残余应力和变形情况。
最后对夹具进行了形状优化，根据形状优化结果提出了夹具结构改进设计的建议。
关键词: ABAQUS ，夹具，残余应力，形状优化
1. 引言
吊装用的夹具作为某公司机械加工生产中一个重要和关键部分，其受力情况复杂易于损坏。
据对于该产品的使用调查，发现在夹具使用一段时间后，其结构发生塑性变形导致无法使用不得不更换夹具。
下面将采用ABAQUS/Standard 分析模块，对该结构进行弹塑性力学分析和结构的形状优化计算分析。
2. 夹具结构的有限元模型
考虑到结构的基本形状和所要研究的主要目的，这里将夹具结构简化成为平面应力问题。
由于该吊装夹具采用加紧后吊起加工工件的工作原理，所以在夹具下端口作用一个向下的载荷和夹紧工件产生的沿着水平方向的初始变形。
考虑到结构的对称性，所以建立了1/2结构的有限元模型。
根据夹具所用钢材进行材料力学的拉伸试验，把名义应力、应变转换成为真实应力、应变数据[1]下面给出把名义应力、应变数据转换成为有限元计算用真实应力、应变的公式， 。
下图1所示该材料的名义和真实应力、应变曲线，材料的弹性模量为
2.2e11Pa ，泊松比0.3，材料的屈服极限为400MPa 。
2 2012 SIMULIA 中国区用户大会
=ln(1)
=(1+)εεσσε+名义真实名义名义真实 (1)
图1 夹具材料拉伸试验的名义和真实应力、应变曲线
由图1可知，材料的名义和真实应力、应变曲线差别很小，因此在进行小变形分析时可以直接用实验数据近似替代。
此外实验曲线有明显抖动现象，为了保证顺利求解，必须进行对数据进行规则化处理，具体处理方法见参见文[1]。
考虑到不需要考虑夹具夹紧端头的应力分布情况，根据设计起吊重量，故采用定义参考点的方法，把吊装重力作为集中力分别施加到端面上的各个节点上。
由于夹紧力是操作螺杆旋转水平前进而实施的，从而在夹紧工件同时导致夹具沿水平方向发生变形。
这时很难确定其夹紧力大小，所以在有限元模型中夹头端施加一个沿着水平方向的初始位移模拟螺杆旋转的距离，位移的大小可以根据螺杆螺距确定，因此可以方便地模拟夹具加紧工件的情况。
在定义有限元模型加载步时，第一步是夹具工作时受到工件重力和加紧力作用情况；第二步是把夹紧力和工件重力去除后，模拟夹具卸载后的情况。
两种工况的应力云图见图2，3所示。
2012 SIMULIA 中国区用户大会
3 由图2看出，在夹具工作状态下，夹具内侧上、下边应力最大。
在两种作用的载荷中，夹紧力对夹具影响很大，也是造成夹具产生塑形变形的主要原因。
图3表示下载后残余应力和变形的情况，可见残余应力发生在夹具工作时发生最大应力的部位。
图2 夹具工作状态下的变形和等效应力云图
图3 夹具结构卸载后的等效残余应力和变形情况
由于图3中结构卸载后的变形与真实结构的变形情况基本一致，所以证实了夹具的有
限元模型的有效性。
下面考虑把夹具改用经过滚压工艺处理的同种材料，这时材料的弹性
模量为1.8e11Pa，泊松比为0.3，屈服极限为690MPa，其材料的实验数据和有限元模型处
理同上。
在有限元模拟计算时，不断增加夹紧力即增加初始位移值，直到使结构发生塑性
变形。
考察残余应力和变形情况。
如图4所示，这时夹具达到屈服应力的工作应力大大提高，而且尽管卸载后有残余应力，但是变形很小。
尽管应力和变形趋势与上面相同。
图4 采用滚压工艺钢材的夹具残余应力和应变
为了考虑把夹具结构形状设计的更合理，下面应用ABAQUS6.11版中的形状优化功能进行优化计算。
考虑到有限元形状优化的特点，所以在建立夹具结构形状优化有限元模型时，把原有限元模型中施加载荷改成分别沿着夹头端部垂直向下和面向端头面的均布载荷。
并定义夹紧力大于吊重物的垂直向下的载荷。
定义夹头的内外边界为形状优化区域，最大
等效应力为优化目标，结构的体积为形状优化约束条件。
形状优化的有限元模型和结果见
图5，6所示，根据夹具结构形状优化结果（图6），提示在改进设计时，在夹具上下边的
有效面积应该减少，而夹具竖边有效面积要增加。
由程序改进形状的夹具受力情况下，在
内侧特别是在内侧上下拐角处有应力集中。
说明在改进设计时，应在内面角增加倒角以减
小应力集中现象。
在外角部分应力很小，因此在改进设计时，可以去掉外边的直角出面积，
减小结构的重量。
此外，分别以内、外侧边界为优化区域进行优化，可以得出同样结论。
4 2012 SIMULIA 中国区用户大会
2012 SIMULIA 中国区用户大会 5
图5 夹具结构的形状优化有限元模型
图6 夹具结构的形状优化结果
3. 讨论
根据上述计算可知，在进行有限元分析时，把材料试验数据进行转换处理非常重要。
对于小变形分析，可以近似用实验数据近似替代真实应力、应变数据。
特别要指出的是，为了保证有限元计算，必须要把实验得到的材料拉伸实验曲线数据进行正规化处理。
吊装用夹具结构其夹紧力是导致结构产生塑形变形的主要原因，在夹具工作情况下，夹具内侧应力较大。
如果采用经过滚压工艺处理的同种钢材，由于屈服极限得到提高，所以大大减少了夹具结构的塑形变形和残余应力，可以使得夹具使用寿命提高。
此外，由于ABAQUS形状优化计算，可以为工程技术人员提供一种概念设计工具。
针对夹具结构的形状优化结果进行改进设计。
建议增加结构竖边的有效面积，减少上下横边的有效面积，同时可以增加内边倒角以减少应力集中，去掉外角部分面积降低结构重量。
综上所述，利用ABAQUS有限元软件可以有效的分析工程结构中出现的问题。
并且根据有限元结构和优化分析可以更为经济和有效地指导设计和生产。
4. 参考文献
1. 庄茁等. ABAQUS 非线性有限元分析与实例[M]. 科学出版社, 2005.
2. 刘鸿文，材料力学（Ⅰ）[M]，北京：高等教育出版社，2010.
3. 石亦平，周玉蓉．Abaqus有限元分析实例详解[M]．机械工业出版社，2006．
5. 致谢
本项工作得到SIMULIA Abaqus上海代表处彭军先生的指导和帮助。
6 2012 SIMULIA 中国区用户大会。
