應(yīng)用ANSYS軟件分析溫度對(duì)測(cè)量半球形薄壁零件尺寸的影響

/ 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

溫度變化會(huì)導(dǎo)致金屬零件產(chǎn)生尺寸、形狀上的變化，因此對(duì)溫度分布的分析及溫度對(duì)器件在生產(chǎn)加工中所產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究是至關(guān)重要的課題[1-3]。同時(shí)，溫度也是對(duì)精密測(cè)量產(chǎn)生影響的幾個(gè)關(guān)鍵因素之一[4-6]。而如果能在測(cè)量開(kāi)始前對(duì)待測(cè)零件受溫度影響所產(chǎn)生的變化進(jìn)行分析，對(duì)器件形變的結(jié)果有預(yù)先的判斷，則可以提前制定合理的測(cè)量方法、提高測(cè)量準(zhǔn)確性。

對(duì)于半球形薄壁類零件，一般采用數(shù)字式萬(wàn)能顯微鏡、光學(xué)投影儀或圖像掃描技術(shù)三種方法測(cè)量其輪廓參數(shù)。對(duì)其受溫度影響所產(chǎn)生誤差進(jìn)行分析傳統(tǒng)上主要通過(guò)熱致誤差公式進(jìn)行計(jì)算分析[7,8]，這種方法是通過(guò)對(duì)材料受熱形變進(jìn)行計(jì)算得到分析結(jié)果。這種分析方式由于計(jì)算量大，且無(wú)法對(duì)模型進(jìn)行整體分析，所以現(xiàn)在已較少被使用。而使用有限元方法對(duì)零件進(jìn)行溫度場(chǎng)分析及形變分析已經(jīng)成為主流的方法[3,9-12]。通過(guò)使用有限元模型進(jìn)行分析可以全面、準(zhǔn)確地獲得零件受溫度變化的仿真結(jié)果，簡(jiǎn)化了分析過(guò)程，更便于工程人員進(jìn)行使用。

1 半球形薄壁零件有限元模型建立及邊界條件設(shè)定

使用三維繪圖軟件Solidworks對(duì)某類半球形薄壁零件進(jìn)行三維圖繪制。球體半徑為10 mm，厚度為0.2 mm。由于半球體薄壁零件屬于軸對(duì)稱零件，在進(jìn)行有限元分析時(shí)，為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，只選取零件沿軸對(duì)稱后的一半進(jìn)行分析即可。所繪制的半球形薄壁零件的三維圖如圖1所示。

圖1 半球形薄壁零件三維圖

在ANSYS Workbench中建立靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析項(xiàng)目，并將所繪制的三維模型導(dǎo)入Geometry中，設(shè)置模型材料類型為鋁合金（Aluminum Alloy）。并對(duì)模型進(jìn)行邊界條件設(shè)定，在模型的底邊設(shè)置固定約束（Fixed Support）A，模擬零件被固定限位的情況；在模型被切割表面設(shè)置無(wú)摩擦約束（Frictionless Support）B，以還原模型被簡(jiǎn)化前的狀況[13]。邊界條件設(shè)置結(jié)果如圖2所示。

圖2 邊界條件設(shè)置

同時(shí)設(shè)置熱力工況（Thermal Condition）為梯度降溫方式，以模擬零件由高溫轉(zhuǎn)變?yōu)榻咏h(huán)境溫度（22 ℃）的變化過(guò)程。熱力工況設(shè)置結(jié)果如圖3所示。

圖3 熱力工況設(shè)置

在模型中添加半球形薄壁零件切面上邊緣邊線為一段路徑（Path），將求解在此路徑下零件的受熱形變情況。路徑設(shè)置圖如圖4所示，路徑起點(diǎn)為1，終止點(diǎn)為2。

圖4 路徑設(shè)置

2 零件受熱形變求解

將總體形變和路徑在不同溫度下的形變?cè)O(shè)置為求解項(xiàng)，并對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，之后利用ANSYS軟件的求解功能，對(duì)所設(shè)置的求解項(xiàng)進(jìn)行求解。

模型在35 ℃條件下的總體形變?cè)茍D及路徑形變圖如圖5所示。

圖5 模型形變?cè)茍D

3 曲線擬合及數(shù)據(jù)分析

對(duì)路徑形變曲線的值進(jìn)行提取，在路徑曲線上選取129個(gè)點(diǎn)，分別獲得每個(gè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的形變量。將軟件計(jì)算得到的形變量與曲線長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)輸入Matlab中，繪制形變量與球體半徑對(duì)應(yīng)關(guān)系的曲線圖。繪制得到的曲線圖如圖6所示。

圖6 形變曲線

不同溫度下，路徑最大形變量與最小形變量的數(shù)值如表1所示。

表1 不同溫度下的形變量

由形變曲線圖及不同溫度下的形變量表可以看出：

（1）由于零件底端被固定，受到底端限位作用和材料在軸向上的非線性分布，所以零件受溫度影響的形變也是非線性的。

（2）溫度值越高，零件形變的最大值與最小值的差值越明顯，因此在進(jìn)行測(cè)量時(shí)應(yīng)避免在零件高溫時(shí)進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量的不均勻性越明顯。

（3）零件在固定端的形變受溫度的影響最小，因此在進(jìn)行測(cè)量時(shí)可以考慮在接近零件固定端進(jìn)行測(cè)量，這樣的測(cè)量結(jié)果受溫度的影響相對(duì)較小。

（4）半球形薄壁零件在受固定約束及溫度變化兩種條件的影響下，其形變量在以球心對(duì)稱的0.8倍半徑下達(dá)到均勻的較大值。在這一范圍內(nèi)的形變量產(chǎn)生了明顯的突變。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)半球形薄壁類零件在不同溫度下的形變情況進(jìn)行了有限元分析。通過(guò)對(duì)軟件模擬得到的路徑形變數(shù)值進(jìn)行曲線擬合繪制，得到了形變圖。通過(guò)對(duì)不同溫度下路徑形變曲線的對(duì)比，得出了零件形變的基本規(guī)律。通過(guò)使用ANSYS對(duì)半球形薄壁零件在不同溫度下形變進(jìn)行有限元分析，可以明確半球薄壁類零件的形變規(guī)律,為改進(jìn)合理的測(cè)量方法及進(jìn)行精確測(cè)量提供理論依據(jù)。

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