基于UG工裝設(shè)計(jì)中的有限元驗(yàn)證與分析

張斌

摘 要：通過實(shí)例，分析工裝設(shè)計(jì)中的常見問題，充分發(fā)揮軟件特點(diǎn)，引入主流技術(shù)UG有限元對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證、分析并提供直觀的數(shù)據(jù)作為依據(jù)，用于解決實(shí)際問題，借此提高分析問題、解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：工裝設(shè)計(jì) UG有限元 受力分析

中圖分類號(hào)：N945.13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）04（b）-0066-02

1 UG簡(jiǎn)介

UG是Unigraphics的縮寫，是集計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助制造、計(jì)算機(jī)輔助分析功能于一體的軟件集成系統(tǒng)。在中國(guó)，它得到了越來越廣泛的應(yīng)用，已成為我國(guó)工業(yè)界主要使用的大型CAD/CAE/CAM軟件之一。

Unigraphics適于完整的產(chǎn)品工程。使公司能夠在同一集成的數(shù)字化環(huán)境中去模擬、驗(yàn)證產(chǎn)品和他們的生產(chǎn)過程。如今制造業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)是，通過產(chǎn)品開發(fā)的技術(shù)創(chuàng)新，在持續(xù)的成本縮減以及收入和利潤(rùn)的逐漸增加的要求之間取得平衡。為了真正地支持革新，必須評(píng)審更多的可選設(shè)計(jì)方案，而且在開發(fā)過程中必須根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)中所獲得的知識(shí)更早地做出關(guān)鍵性的決策。

主要功能為以下幾種。

1.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

UG為那些培養(yǎng)創(chuàng)造性和產(chǎn)品技術(shù)革新的工業(yè)設(shè)計(jì)和風(fēng)格提供了強(qiáng)有力的解決方案。UG包括了世界上最強(qiáng)大、最廣泛的產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)用模塊。工業(yè)設(shè)計(jì)師能夠迅速地建立和改進(jìn)復(fù)雜的產(chǎn)品形狀。UG具有高性能的機(jī)械設(shè)計(jì)和制圖功能，為制造設(shè)計(jì)提供了高性能和靈活性，以滿足客戶設(shè)計(jì)任何復(fù)雜產(chǎn)品的需要。

1.2 仿真、確認(rèn)和優(yōu)化

UG允許制造商以數(shù)字化的方式仿真、確認(rèn)和優(yōu)化產(chǎn)品及其開發(fā)過程。通過在開發(fā)周期中較早地運(yùn)用數(shù)字化仿真性能，制造商可以改善產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)減少或消除對(duì)于物理樣機(jī)的昂貴耗時(shí)的設(shè)計(jì)、構(gòu)建，以及對(duì)變更周期的依賴。

2 工裝設(shè)計(jì)中的問題

合格工裝的設(shè)計(jì)，不僅僅是把工裝設(shè)計(jì)出來、制作出來那么簡(jiǎn)單；而是還要經(jīng)過不斷的試驗(yàn)，總結(jié)，改進(jìn)，然后才能正式應(yīng)用于生產(chǎn)。這其中及時(shí)的發(fā)現(xiàn)問題和解決問題尤為重要。下面通過一次典型的工裝設(shè)計(jì)，來予以闡述。

某產(chǎn)品是一個(gè)液壓雙缸體零件，如圖1所示，特點(diǎn)是產(chǎn)品雙缸孔所在面及孔徑要求精度高，面粗糙度要求在Ra1.6以內(nèi)，孔徑公差要求在0.02 mm以內(nèi)，而且壁薄。因此，工裝設(shè)計(jì)的合理性尤為重要。

工裝設(shè)計(jì)中，定位點(diǎn)和壓緊點(diǎn)選擇是非常重要的，在加工此雙缸體液壓零件某一序的時(shí)候，以法蘭端面、子口外徑與一個(gè)小孔定位，加工雙缸孔所在面、鏜雙缸孔與面上所有小孔。

壓緊點(diǎn)選擇法蘭盤背面的三點(diǎn)作為主要壓緊點(diǎn)?？紤]加工遠(yuǎn)端銑面和鏜孔時(shí)可能會(huì)有震刀產(chǎn)生而影響產(chǎn)品質(zhì)量，所以在遠(yuǎn)端面加上一個(gè)輔助頂緊裝置。如圖2所示。

考慮操作原因，工裝整體采用液壓壓緊方式，工件通過子口插入定位環(huán)中，以其中一個(gè)小孔定角向，定位環(huán)固定在定位座上，定位座固定在底板上，三個(gè)液壓轉(zhuǎn)角缸壓緊法蘭盤背后的三點(diǎn)。

另一端采用一個(gè)座在缸座上的直進(jìn)缸推動(dòng)壓緊盤作為輔助頂緊裝置。

為了使直進(jìn)缸壓緊力可調(diào)，備用一個(gè)減壓閥。

看似合理的設(shè)計(jì)在實(shí)際的驗(yàn)證過程中仍然遇到了一個(gè)難以克服的問題，問題出現(xiàn)在雙缸孔遠(yuǎn)端的那個(gè)孔的底部，總是莫名的產(chǎn)生橢圓的現(xiàn)象，考慮是輔助的直進(jìn)缸壓力過大，而加上備用的減壓閥后，將減壓閥調(diào)整到最小5 kgf仍然會(huì)產(chǎn)生少量變形，難道還是壓力過大？但已經(jīng)是減壓閥調(diào)整極限了，而且低于5 kgf還會(huì)起到什么作用很難判斷，應(yīng)該使用多大的壓力才合適，還是這種設(shè)計(jì)方法根本就是錯(cuò)的。

如果通過力學(xué)方法去一步步的計(jì)算，對(duì)于這么復(fù)雜形體的零件幾乎是不可能的。于是考慮用UG來解決。

3 UG有限元分析

進(jìn)入了UG，在UG界面將工件實(shí)體模型打開，點(diǎn)擊“開始”，進(jìn)入U(xiǎn)G高級(jí)仿真模塊，在仿真導(dǎo)航器中選擇模型，并“新建FEM和仿真”和“創(chuàng)建解算方案”。

在新建的FEM中設(shè)置有限元模型的材料屬性，將材料設(shè)置為“steel”；置有限元模型的網(wǎng)格屬性，將網(wǎng)格屬性設(shè)置為“3D四面體網(wǎng)格”。根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置網(wǎng)格大小，選擇仿真導(dǎo)航器，進(jìn)入仿真模型界面，對(duì)模型選擇“約束類型”，選擇“固定約束”，選擇工件法蘭盤端面即定位面；選擇“載荷類型”，選擇“壓力”，選擇工件的輔助壓緊面。如圖3所示。

以簡(jiǎn)化問題的原則，忽略子口與小孔定位的設(shè)定等不相關(guān)因素。

在“壓力”菜單欄內(nèi)將壓力單位設(shè)置為N/cm2，這是為了保持與液壓缸的壓力單位kgf/cm2統(tǒng)一，便于分析，首先將壓力值設(shè)置為9.8，即為1 kgf的大小。點(diǎn)擊“解算”，在仿真導(dǎo)航器中查看“結(jié)果”選項(xiàng)，選擇“位移—節(jié)點(diǎn)”觀察有限元模型的變形情況圖及數(shù)值。如圖4、圖5所示。

從圖中可清晰發(fā)現(xiàn)，變形最嚴(yán)重的畫圈區(qū)域恰恰就是實(shí)際加工中變形的區(qū)域，在施加1 kgf的時(shí)候，由圖4可知最大變形量為1.432μm。半剖變形視圖如圖6所示。

再將“壓力”菜單欄內(nèi)的壓力值重新設(shè)置為98，重新點(diǎn)擊“解算”，在仿真導(dǎo)航器中查看“結(jié)果”選項(xiàng)，選擇“位移—節(jié)點(diǎn)”觀察有限元模型的變形情況圖及數(shù)值。如圖7、圖8所示。

圖中顯示，同樣的畫圈區(qū)域在施加10 kgf的時(shí)候，最大變形量變?yōu)?4.32μm。由此可知，變形大小和施加力的大小是成正比的。

到此，UG有限元分析基本結(jié)束。

4 解決方案

通過UG有限元的直觀分析，基本可以確定由于此工件壁薄，要求精度高，對(duì)末端施加的輔助力基本會(huì)使工件在末端缸孔底部產(chǎn)生變形，即使將減壓閥減到最小5 kgf頂緊力的時(shí)候，在不考慮毛坯厚度公差及加工時(shí)刀具切削力的情況下，理論上仍然會(huì)產(chǎn)生7μm多的壓力變形，這是不可接受的。所以原方案輔助壓緊機(jī)構(gòu)最終很難滿足圖紙要求。

經(jīng)過查詢相關(guān)資料，最終確定另一種液壓缸可以滿足需要，這種缸的原理是，加力時(shí)先將彈簧釋放，慢慢靠緊工件，然后液壓鎖住位置。這種缸的優(yōu)勢(shì)在于，靠緊工件時(shí)只是靠緊，而幾乎沒有壓力作用在工件上，鎖緊后，工件就不會(huì)在加工過程中產(chǎn)生震動(dòng)，這正是我所需要的。

5 結(jié)論

作為工程師，會(huì)在工作中發(fā)現(xiàn)各式各樣的問題，而能否解決問題的關(guān)鍵是能不能分析出真正問題點(diǎn)。依靠經(jīng)驗(yàn)固然重要， 但是面對(duì)新的問題，新的挑戰(zhàn)不能僅僅依靠經(jīng)驗(yàn)，更不能在沒有可靠數(shù)據(jù)的情況下憑借主觀的臆斷，對(duì)生產(chǎn)造成不必要的損失。UG有限元分析通過簡(jiǎn)潔的操作，就能為我們提供直觀，精確的數(shù)據(jù)，就能為我們解決問題提供出可靠的依據(jù)，實(shí)在是一柄工程師手中不和缺少的利器，掌握了這柄利器的使用方法，會(huì)大幅提高我們分析問題，解決問題的能力，會(huì)使我們自身的價(jià)值產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。

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