基于SolidWorks的夾具座的鈑金設(shè)計及其應(yīng)力仿真分析

賀甲甲，朱先琦

（安徽工程大學機械與汽車工程學院，安徽蕪湖241000）

基于SolidWorks的夾具座的鈑金設(shè)計及其應(yīng)力仿真分析

賀甲甲，朱先琦

（安徽工程大學機械與汽車工程學院，安徽蕪湖241000）

利用SolidWorks軟件中的鈑金模塊設(shè)計出了鋼筋對焊夾具中的承載主體——夾具座，得到了鈑金展開圖。論述了基于SolidWorks Simulation對夾具座進行有限元應(yīng)力分析的過程。對夾具座進行了優(yōu)化設(shè)計。

SolidWorks；鈑金設(shè)計；應(yīng)力仿真；優(yōu)化設(shè)計

鈑金零件在電子電器、通信、汽車工業(yè)和醫(yī)療器械等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。鈑金是一種針對金屬薄板的綜合冷加工工藝，通過手工或模具沖壓使金屬內(nèi)部組織發(fā)生塑性變形，形成想要的結(jié)構(gòu)及尺寸，這樣得到的零件厚度一致，厚度通常在6 mm以內(nèi)。金屬鈑金零件在發(fā)生塑性變形后，其內(nèi)部組織會得到一定的改善，機械強度有所提高，與剪、沖/切/復(fù)合、折、鉚接、拼接和成型等工藝配合，可使鈑金件結(jié)構(gòu)更符合實際使用要求，因此鈑金是制造復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)件的主要方法［1］。

SolidWorks軟件是一個基于特征、參數(shù)化和實體建模的設(shè)計工具，采用Windows圖形用戶界面［2］，具有強大的設(shè)計功能，能大大縮短設(shè)計時間，使產(chǎn)品快速高效地投向市場，其零件設(shè)計、裝配設(shè)計及工程圖之間是全相關(guān)的。它同時擁有強大的鈑金設(shè)計功能，可逼真地建立鈑金件的三維模型并得到展開圖。

本文應(yīng)用SolidWorks2013的鈑金設(shè)計模塊對鋼筋對焊夾具中的承載主體——夾具座進行鈑金設(shè)計，得到了其展開圖，并對夾具座進行了應(yīng)力仿真分析和優(yōu)化設(shè)計。

1　夾具座的三維建模

在SolidWorks軟件中有兩種生成鈑金零件的方法：第一種方法是設(shè)計實體零件，然后轉(zhuǎn)換成鈑金零件，即首先創(chuàng)建一個實體零件，再將之轉(zhuǎn)換為鈑金件；第二種方法是使用鈑金特征創(chuàng)建鈑金零件，這種方法從最初的基體法蘭特征開始直接將零件作為鈑金零件開始建模［3］。第二種方法從一開始生成的就是鈑金零件，避免了多余的步驟，從而能更快、更容易地生成鈑金件的三維模型。

本文采用第二種方法對夾具座進行鈑金設(shè)計，建立三維模型。其基本步驟如下：（1）先選取繪圖平面，然后在此面上作草圖，大致進行草圖繪制、尺寸標注或設(shè)置限制條件，結(jié)束草圖繪制；（2）使用命令“基本法蘭/薄片”創(chuàng)建基本法蘭特征；（3）使用命令“斜接法蘭”將一系列法蘭添加到一個或多個鈑金零件邊緣；（4）使用其他命令對鈑金零件進行完善，使用命令“繪制的折彎”添加一個折彎；（5）創(chuàng)建切除材料孔特征。完成的夾具座的三維模型如圖1所示。

圖1　夾具座的三維模型

2　夾具座展開圖

在鈑金件的制造過程中，需要對其進行展開，展開后的結(jié)構(gòu)與尺寸是排樣、切割下料、沖壓成型等工序的重要依據(jù)。使用SolidWorks鈑金模塊中的展開命令，能夠直觀地得到各工序的參數(shù)。根據(jù)展開圖，可利用鈑金成形工藝設(shè)計知識來判斷毛坯形狀是否合理，可直接對不合理的結(jié)構(gòu)及尺寸進行修改，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。

在SolidWorks中，可在鈑金零件窗口直接將鈑金零件的展開圖輸出為DXF/DWG格式的文件，以便于某些軟件直接讀取，有利于鈑金零件的加工。輸出的對象包含幾何體、隱藏邊線、折彎線、草圖及邊界框等元素。若鈑金件為多實體，則在輸出時允許設(shè)計者選擇要輸出的鈑金實體。

具體操作如下：選擇特征設(shè)計樹中的“平板型式”，單擊右鍵選擇輸出到“DXF/DWG”，選擇保存類型為“Dxf（*.dxf）”或“Dwg（*.dwg）”，確定輸出文件的位置及名稱，點“確定”。夾具座的展開圖如圖2所示。

圖2　夾具座展開圖

3　夾具座的應(yīng)力仿真

夾具座在鋼筋對焊夾具的安裝和使用過程中，需要承受安裝在其上的其他零件如絲杠螺母、夾鉗等的重量以及在將這些零件安裝在夾具座上時螺絲的夾緊力，因此有必要對夾具座進行應(yīng)力仿真，以判斷其強度是否滿足使用要求。

3.1預(yù)處理

按照如下的幾個步驟，完成夾具座應(yīng)力仿真分析前的準備工作。

（1）新建一個算例并命名

在simulation菜單中選取“算例”，將之命名為“夾具座應(yīng)力仿真”。

（2）指定材料屬性

選擇simulation菜單下的“材料”，單擊“應(yīng)用材料到所有”。

展開“SolidWorks materials”，然后從“鋼”的文件夾中選擇“AISI1045鋼”。

3.2夾具

此夾具座的應(yīng)力仿真分析為靜態(tài)分析。要完成靜態(tài)分析，必須對模型進行正確約束，使之無法移動。

在simulation study樹中，右鍵單擊“夾具”，選擇下拉選項中“固定幾何體”，轉(zhuǎn)動夾具座，選擇要施加載荷的面。

在“類型”工具箱中選擇“固定幾何體”，然后單擊“確定”，關(guān)閉“夾具”的propertyManager窗口。

定義完夾具后，就完全限制了模型的空間運動。因此，該模型在沒有彈性變形的情況下是無法移動的。在有限元術(shù)語中，可以說該模型不存在任何形式的剛體運動。

3.3外部載荷

轉(zhuǎn)動模型，在夾具座的正面上加載1 000 N大小的壓力，具體過程如下：右鍵單擊“外部載荷”，選擇下拉選項中“力”，列出需要定義載荷的選項。在“類型”選項中選擇“法向”，在單位一欄中確定單位制為“SI”，并在力值一欄中輸入“1000”，單擊“確定”。

3.4劃分網(wǎng)格

右鍵單擊“網(wǎng)格”并選擇“生成網(wǎng)格”，將采用“高”品質(zhì)的單元劃分模型網(wǎng)格。

軟件中默認的網(wǎng)格密度指示滑塊處于滑條的中間位置，在“網(wǎng)格參數(shù)”下，“最大單元大小”和“最小單元大小”顯示為“5.72453 mm”，“圓中最小單元數(shù)”設(shè)置為8，“單元大小增長比率”設(shè)置為1.5。我們將采用這些默認設(shè)置來進行初次分析。

進入“高級”選項，取消選取“草稿品質(zhì)網(wǎng)格”，生成網(wǎng)格。

運行算例“夾具座應(yīng)力仿真”，當進行分析時，可以通過解算器窗口監(jiān)視運算過程。

4　仿真結(jié)果與分析

4.1應(yīng)力分布分析

圖3為應(yīng)力分布圖。由圖3可明顯看出，夾具座的兩個長孔周邊部位所受應(yīng)力明顯大于其他部位，其中兩個長孔之間的部分所受應(yīng)力最大，是夾具座受力的薄弱環(huán)節(jié)。

圖3　應(yīng)力分布圖

4.2位移分布分析

圖4為位移分布圖。由圖4可明顯看出，夾具座的兩個長孔周邊部位受力后位移較大，其中兩個長孔之間的部位受力后位移最大，達到8.95×10-2mm。圖中以大位移表示夾具座受力后的位移變化，是為了便于仿真分析者觀察，實際上位移變化非常小。

圖4　位移分布圖

4.3應(yīng)變分布圖

圖5為應(yīng)變分布圖。由圖5可知，夾具座受力后的應(yīng)變分布結(jié)果同位移分布類似。夾具座的兩個長孔周邊部位受力后變形較大，其中兩個長孔之間的部位受力后應(yīng)變最大。圖中也是以大的應(yīng)變表示夾具座受力后應(yīng)變分布，以便于觀察。

圖5　應(yīng)變分布圖

5　夾具座的優(yōu)化設(shè)計

優(yōu)化目標是在滿足夾具座整體強度性能要求的前提下，使該結(jié)構(gòu)的總體質(zhì)量盡可能小。這不僅能降低制造成本，而且還能減輕鋼筋對焊夾具的總體質(zhì)量，使用時省力輕松。

根據(jù)上述的夾具座靜力學分析，我們得到了夾具座在指定載荷下的應(yīng)力、應(yīng)變及位移，在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計。由于夾具座的結(jié)構(gòu)一定，其主要功能是承載鋼筋對焊夾具中的其他零件，因此在夾具座主要受力面承受應(yīng)力后不發(fā)生塑性變形的情況下，可適當減小夾具座的厚度。夾具座厚度初始設(shè)計值為3 mm，現(xiàn)將其厚度值設(shè)為2 mm。

將此優(yōu)化設(shè)計在SolidWorks中進行應(yīng)力仿真分析，重復(fù)前面步驟，結(jié)果證實此優(yōu)化設(shè)計可行。圖6為夾具座厚度為2 mm時，在其主要受力面加載1 000 N的力后的應(yīng)力圖。

圖6　夾具座厚度為2 mm時所受應(yīng)力圖

由圖6可以看出，夾具座所受最大應(yīng)力小于屈服力，未發(fā)生塑性變形。在保證夾具座整體強度性能的前提下，可大幅度減輕其質(zhì)量，在優(yōu)化前夾具座的質(zhì)量為722.21 g，優(yōu)化后夾具座的質(zhì)量為473.58 g，優(yōu)化后夾具座的總體質(zhì)量減輕了34.43%。

6　結(jié)束語

本文應(yīng)用SolidWorks2013三維造型軟件對鋼筋對焊夾具中的承載主體——夾具座進行鈑金設(shè)計，得到了夾具座展開圖以及下料尺寸、面積和質(zhì)量等參數(shù)，同時應(yīng)用SolidWorks Simulation對夾具座進行了應(yīng)力仿真分析和優(yōu)化設(shè)計。仿真結(jié)果表明：夾具座的兩個長孔周邊部位所受應(yīng)力、位移和應(yīng)變都較其他部位大，其中兩個長孔之間的部位所受應(yīng)力最大，位移和變形也最參考文獻：

大。在滿足夾具座使用強度的前提下，優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果是夾具座的總體質(zhì)量大幅減輕，降低了制造成本。

［1］陳文琳.塑性成形工藝與模具設(shè)計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002：7-12.

［2］陳超祥，胡其登.SolidWorks零件與裝配體教程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2013：1-2.

［3］葉修梓，陳超祥.SolidWorks鈑金件與焊件教程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009：1-18.

【責任編輯黃艷芹】

Sheet Metal Design and Stress Simulation Analysis of Fixture Seat Based on Solid Works

HE Jiajia，ZHU Xianqi
（Institute of Mechanical and Automotive Engineering，Anhui Polytechnic University，Wuhu 241000，China）

Sheeet metal module in SolidWorks was used to design fixture seat——the bearing body of welded steel fixture，and the sheet metal expansion drawing was got；the process of the finite stress analysis of fixture seat based on SolidWorks simulation was discussed.Finally，the fixture seat was optimally designed.

SolidWorks；sheet metal design；stress simulation；optical design

TH12；TH391.

A

2095-7726（2015）09-0047-03

2015-05-07

賀甲甲（1988-），男，安徽阜陽人，碩士研究生，研究方向：模具CAD/CAM。

朱先琦（1966-），女，副教授，研究方向：液態(tài)成型工藝和模具。