淺談有限元分析在工裝設(shè)計中的應(yīng)用

摘 要：隨著航空發(fā)動機技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)動機中的產(chǎn)品零件設(shè)計向高精度、薄壁件、異型件、輕質(zhì)復(fù)合材料等方向發(fā)展，因此，與之配套的檢測工具也要求精度高、重量輕、剛性好、強度高。近年來，隨著工裝設(shè)計向?qū)崿F(xiàn)三維設(shè)計發(fā)展進(jìn)步，有限元分析成為了設(shè)計人員進(jìn)行模擬分析結(jié)構(gòu)使用的工程分析方法和手段。有限元分析——利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬，并利用簡單又相互作用的元素，即單元，就可以實現(xiàn)用有限數(shù)量的未知量去逼近無限數(shù)量的未知量的系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：有限元分析；工裝設(shè)計；求解

1 概述

在航空發(fā)動機產(chǎn)品零件中，特別是軸孔類零件具有長度短、尺寸公差嚴(yán)等特征，且大部分測量位置在凹槽內(nèi)，檢測設(shè)計比較困難。零件過程生產(chǎn)檢測時常采用在線測量方法，需考慮人工操作的便捷性，所以對測具基體的重量、剛性和強度提出較高的精度要求。

隨著工裝設(shè)計檢測水平向數(shù)字化、自動化、精密化、高效化發(fā)展，改變原有專用測量工具笨重不便的狀況，急需尋找輕型工裝設(shè)計結(jié)構(gòu)分析手段，提高工裝設(shè)計的質(zhì)量，是擺在我們設(shè)計人員面前的重要任務(wù)。

一個好的工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計必須滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)預(yù)期的載荷作用時，該結(jié)構(gòu)必須不出現(xiàn)任何故障。意味著所設(shè)計的結(jié)構(gòu)必須是“強度足夠”，故障就是其結(jié)構(gòu)存在破裂、分離、彎曲，以及支撐作用載荷失敗。并且在通常設(shè)計中還應(yīng)提供安全余量，即考慮到意外的載荷。

當(dāng)載荷作用時，該設(shè)計結(jié)構(gòu)必須不產(chǎn)生過分變形。意味著所設(shè)計的結(jié)構(gòu)必須是“剛度足夠”，即是變形可以接受的極限（也即彎曲度，撓度，拉伸等）。所設(shè)計的結(jié)構(gòu)在它服務(wù)生命周期內(nèi)，使用穩(wěn)定可靠。這意味著設(shè)計的結(jié)構(gòu)必須“足夠耐用”，必須考慮環(huán)境影響和磨損破裂。所設(shè)計的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，必須滿足：（1）強度足夠——應(yīng)力必須是在一個可以接受的范圍內(nèi)。（2）剛度足夠——應(yīng)力必須是在一個可以接受的范圍內(nèi)。（3）耐用度足夠——在設(shè)計允許的疲勞周期內(nèi)，應(yīng)力必須是較低。

因此，工裝設(shè)計結(jié)構(gòu)可以用有限元分析的方法對真實幾何結(jié)構(gòu)和載荷進(jìn)行模擬，就能實現(xiàn)工裝設(shè)計結(jié)構(gòu)——用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)；從而確定最輕、最優(yōu)化的設(shè)計結(jié)構(gòu)。

2 工裝有限元結(jié)構(gòu)分析

針對已經(jīng)設(shè)計的工裝——弓型直徑測具進(jìn)行基體有限元結(jié)構(gòu)分析，是否滿足工裝設(shè)計剛性、強度要求。首先，利用UG軟件將創(chuàng)建好的三維仿真分析模型，導(dǎo)入如圖1所示。其次，選擇基體模型的材料，包括材料的密度、彈性模量、泊松比等力學(xué)性能指數(shù)。從相關(guān)金屬材料手冊上查找T8A，45鋼的力學(xué)性能參數(shù)，并輸入到軟件中。T8A，45鋼的力學(xué)性能參數(shù)，如圖2。

利用ANSYS的WORBENCH平臺創(chuàng)建仿真分析模板，并建立仿真過程，如圖3。選擇要分析幾何模型結(jié)構(gòu)圖，并進(jìn)入到靜力分析的幾何分析模塊Geometry模塊中，進(jìn)行模型的導(dǎo)入。導(dǎo)入幾何模型后，對幾何模型進(jìn)行修補和重新定義，確定加載位置幾何和相關(guān)信息，便于后期分析使用，并對以上信息進(jìn)行命名。在導(dǎo)入網(wǎng)格后，需要對幾何體進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格的目的是進(jìn)行各個單元數(shù)值求解。網(wǎng)格最好是畫成六面體為主的網(wǎng)格類型，這樣的網(wǎng)格相對分析準(zhǔn)確，精度高，如圖4所示。

進(jìn)入靜力分析的求解設(shè)置模塊，點擊model進(jìn)入，本測具含有三個固定支撐點，并受到重力作用，這些受力需要通過求解設(shè)置模塊進(jìn)行求解設(shè)置，具體設(shè)置如圖5所示。通過standard Earth Gravity（標(biāo)準(zhǔn)地球引力）加載整個設(shè)備的重力作用，并指定重力方向，如圖重力方向是Z軸的負(fù)向，因此重力選擇-Z；除重力選擇外，還需選擇基體材料，即要指定設(shè)計結(jié)構(gòu)的基體材料是T8A或45鋼。

通過Fixed Support確定固定支撐點，一共三個支點，都要通過這個命令進(jìn)行定義，如圖6。通過以上兩步完成整個結(jié)構(gòu)的受力加載，這個時候圖形顯示窗口會顯示受力的加載狀況，最后進(jìn)行求解，完成受力的求解過程。

完成求解后，分析整個零部件的受力狀況，如圖7。通過軟件分析能夠得到：45鋼這個時候最大的變形值為2.1515e-006m。

同理，針對T8A進(jìn)行一樣的分析，過程與45鋼一樣，只是在選擇材料屬性的時候，選擇T8A就可以，完成求解，并得到最終的變形效果，如圖8，T8A最大的變形值為1.927e-006m。

針對45鋼和T8A材料鋼基體的有限元進(jìn)行的變形靜力分析，得出同樣弓型基體結(jié)構(gòu)最優(yōu)的材料選擇是T8A較好，同時確定出測具基體最輕狀態(tài)、最優(yōu)結(jié)構(gòu)框架。

參考文獻(xiàn)

[1]博創(chuàng)設(shè)計坊組.UG NX 7.5完全自學(xué)手冊[M].北京機械工業(yè)出版社，2010.

[2]聯(lián)合編寫組.機械設(shè)計手冊[M].化學(xué)工業(yè)出版社，1979.

[3]ANSYS有限元分析從入門到精通[M].人民郵電出版社，2010.

作者簡介：錢寶娟，工裝廠設(shè)計科，三級技術(shù)專家，工程師，一直從事工裝量具設(shè)計工作。