基于UG的臺(tái)式包邊機(jī)主壓機(jī)構(gòu)有限元分析

劉 煒，李 廣，黃春筍，張海峰，曾耀華

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，重慶 401120）

0 引言

包邊機(jī)是完成汽車覆蓋件包邊工藝不可缺少的設(shè)備，主要有壓力機(jī)+包邊機(jī)、臺(tái)式包邊機(jī)、和機(jī)器人滾邊等3種形式[1]，臺(tái)式包邊機(jī)主要由機(jī)械本體、電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)3部分構(gòu)成[2]，具有生產(chǎn)效率高、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)汽車制造廠得到廣泛應(yīng)用。由于采用液壓驅(qū)動(dòng)，機(jī)構(gòu)受力較大，包邊機(jī)長期使用后容易疲勞，機(jī)械部分如壓臂或基座經(jīng)常出現(xiàn)斷裂的情況，難以修復(fù)，造成較長時(shí)間停線，斷裂部位如圖1和圖2所示。

有限元分析是目前機(jī)械設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用的先進(jìn)設(shè)計(jì)方法之一，在當(dāng)前主流的FEA軟件都可以對(duì)各種載荷狀態(tài)下受力結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行分析[3]。UG軟件所提供的高級(jí)仿真模塊是一個(gè)集成化、全相關(guān)、直觀易用的CAE工具，可對(duì)UG零件和裝配進(jìn)行快速的有限元前處理、求解和后處理，且功能強(qiáng)大、操作簡單易用[4-6]。

目前，利用UG高級(jí)仿真模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)件有限元分析主要應(yīng)用在對(duì)單個(gè)零件的分析，但對(duì)多零件裝配體的有限元分析鮮有介紹[7-10]。以臺(tái)式包邊機(jī)主壓機(jī)構(gòu)為例，具體介紹利用UG NX 8.0進(jìn)行包邊機(jī)主壓機(jī)構(gòu)有限元分析的方法和步驟，為后續(xù)包邊機(jī)主壓機(jī)構(gòu)改進(jìn)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考，同時(shí)也為其他多零件裝配體利用UG進(jìn)行有限元分析提供方法借鑒。

圖1 基座斷裂

圖2 壓臂斷裂

1 創(chuàng)建主壓機(jī)構(gòu)裝配模型

臺(tái)式包邊機(jī)主壓機(jī)構(gòu)主要由基座、壓臂、刀架、連桿等組成，由油缸驅(qū)動(dòng)壓臂帶動(dòng)刀架運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)包邊的動(dòng)作。整個(gè)機(jī)構(gòu)為連桿機(jī)構(gòu)與搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的組合，基座與刀架和連桿為四連桿的平行四邊形機(jī)構(gòu)[11]，油缸與壓臂可看作搖桿滑塊機(jī)構(gòu)，這2個(gè)機(jī)構(gòu)通過壓臂與刀架鉸接在一起構(gòu)成了整個(gè)主壓機(jī)構(gòu)。利用UG建模功能，根據(jù)設(shè)計(jì)要求與分析簡化原則，建立包邊機(jī)主壓機(jī)構(gòu)各個(gè)零部件模型，完成各部件三維模型后根據(jù)主壓機(jī)構(gòu)的裝配結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)關(guān)系，在UG的裝配模式下，完成臺(tái)式包邊機(jī)主壓機(jī)構(gòu)的裝配，如圖3所示。

圖3 臺(tái)式包邊機(jī)主壓機(jī)構(gòu)裝配模型

2 創(chuàng)建有限元模型

2.1 有限元模型處理

創(chuàng)建好圖3所示主壓機(jī)構(gòu)裝配模型后，點(diǎn)擊“開始”下拉菜單中的“高級(jí)仿真”進(jìn)入高級(jí)仿真模塊，在仿真導(dǎo)航器中選擇組件，右擊模型名稱選擇“新建FEM”，彈出“新建部件文件”對(duì)話框，選中“NX Nastran”選項(xiàng)，名稱和路徑可以設(shè)為默認(rèn)或自己設(shè)定，單擊“確定”彈出“新建FEM”對(duì)話框，按照默認(rèn)設(shè)置，再次點(diǎn)擊“確認(rèn)”，UG進(jìn)入有限元模型環(huán)境。

進(jìn)入有限元模型環(huán)境后需要依次進(jìn)行指派材料、添加物理屬性及創(chuàng)建網(wǎng)格收集器的操作，具體方法可參考UG有限元分析相關(guān)教程[12-13]，不再贅述。

通過查詢包邊機(jī)主壓機(jī)構(gòu)圖紙可知零件材料為Q235A，在指派材模型料時(shí)選擇UG材料庫提供的Steer-Rolled，添加物理屬性PSOLID1時(shí)，屬性中的材料也要選擇“Steer-Rolled”，由于該包邊機(jī)主壓機(jī)構(gòu)裝配體共37個(gè)零件，所以需要逐一設(shè)置37個(gè)網(wǎng)格收集器，每個(gè)網(wǎng)格收集器的實(shí)體屬性均需要設(shè)置為PSOLID1，如圖4所示。完成上述操作后即可進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分。

2.2 網(wǎng)格劃分

單擊高級(jí)仿真工具欄中的“3D四面體網(wǎng)格”，彈出3D四面體網(wǎng)格對(duì)話框（圖5），在仿真導(dǎo)航器中的“多邊形幾何體”中選擇Polygon Body（1）作為劃分網(wǎng)格的幾何體對(duì)象，在3D四面體對(duì)話框下方目標(biāo)收集器取消勾選“自動(dòng)創(chuàng)建”，選擇前面創(chuàng)建的Solid（1）為目標(biāo)收集器，點(diǎn)擊“網(wǎng)格參數(shù)”中“單元大小”右側(cè)的“自動(dòng)單元大小”按鈕，單元大小會(huì)自動(dòng)修改為10.2 mm，最后點(diǎn)擊“應(yīng)用”按鈕，即完成第一個(gè)幾何體的網(wǎng)格劃分。用同樣的方法對(duì)剩余的36個(gè)幾何體逐一進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于零件數(shù)量較多，在網(wǎng)格劃分過程中很容易出現(xiàn)遺漏、選錯(cuò)幾何體或選錯(cuò)目標(biāo)收集器的情況，所以網(wǎng)格劃分的過程要格外細(xì)心，否則網(wǎng)格劃分錯(cuò)誤會(huì)影響后續(xù)的解算結(jié)果。網(wǎng)格劃分完成后生成有限元模型（圖6）。

圖4 設(shè)置網(wǎng)格收集器

圖5 網(wǎng)格劃分

3 創(chuàng)建仿真模型

3.1 新建仿真環(huán)境

右擊仿真導(dǎo)航器中的有限元模型名稱，選擇“新建仿真”，在彈出的“新建部件文件”對(duì)話框中模板選擇“NX Nastran”，其他各選項(xiàng)選擇默認(rèn)，單擊確定彈出“新建仿真”對(duì)話框，按默認(rèn)設(shè)置點(diǎn)擊確定，彈出“解算方案”對(duì)話框，按默認(rèn)設(shè)置點(diǎn)擊確定即完成了仿真環(huán)境的創(chuàng)建。

3.2 添加約束及載荷

圖6 有限元模型

根據(jù)包邊機(jī)主壓機(jī)構(gòu)工作時(shí)的實(shí)際情況，在壓刀與鈑金壓緊時(shí)基座底面、限位塊上下面及刀架與壓刀接觸的面均處于固定狀態(tài)，所以對(duì)基座、限位塊及刀架相應(yīng)約束面設(shè)置為固定約束，以實(shí)現(xiàn)對(duì)這些零件6個(gè)自由度的限制。在該包邊機(jī)主壓機(jī)構(gòu)中存在較多銷軸，考慮到機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中各銷軸不能有軸向移動(dòng)，需要對(duì)存在軸向移動(dòng)自由度的零件創(chuàng)建用戶自定義約束，以此來限制這些零件無軸向移動(dòng)。若銷軸無軸向約束，則在其分析結(jié)果會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)件沿軸向滑動(dòng)的情況，這是多零部件裝配體進(jìn)行有限元分析的關(guān)鍵問題之一。該主壓機(jī)構(gòu)零件很多，共計(jì)創(chuàng)建了3個(gè)固定約束及31個(gè)用戶自定義約束（圖7）。

在仿真導(dǎo)航器的“多邊形幾何體”及“3D收集器”中分別隱藏油缸缸筒部分，使油缸活塞受力面方便被選中，在工具欄“選擇載荷”下拉列表中選擇“壓力”彈出“壓力”對(duì)話框，如圖8所示，點(diǎn)擊“選擇對(duì)象”，選擇油缸活塞下端面為受力面，包邊機(jī)主壓壓力10 MPa，在幅值設(shè)置里選擇單位為N/mm2（MPa），并設(shè)置幅值為10，即完成活塞下端面所受載荷，如圖8箭頭所示。同理可設(shè)置油缸缸筒內(nèi)側(cè)底面的載荷也為10 MPa。整個(gè)包邊機(jī)主壓機(jī)構(gòu)僅由油缸驅(qū)動(dòng)，故裝配體所受載荷僅為液壓作用在油缸活塞下端面及缸筒內(nèi)部底面的2個(gè)壓力。

3.3 創(chuàng)建面對(duì)面接觸

面對(duì)面接觸作為一種連接方式在機(jī)械產(chǎn)品中非常常見，UG高級(jí)仿真中“SESTATIC 101-單約束”解算模塊提供的線彈性Surface-to-Surface Contact命令可以用來定義2個(gè)面之間的接觸[14]。

圖7 創(chuàng)建約束

圖8 添加載荷

在工具欄“仿真對(duì)象類型”下拉列表中選擇“面對(duì)面接觸”，彈出“面對(duì)面接觸”對(duì)話框，“類型”選擇“自動(dòng)配對(duì)”，點(diǎn)擊“創(chuàng)建自動(dòng)面對(duì)”右側(cè)的“創(chuàng)建面對(duì)”圖標(biāo)彈出“Creat Automatic Face Pairs（創(chuàng)建自動(dòng)面對(duì)）”對(duì)話框，“屬性”中“分組選項(xiàng)”設(shè)置“按體對(duì)”，“距離公差”設(shè)置0.2 mm，點(diǎn)擊“確定”按鈕即開始自動(dòng)進(jìn)行面對(duì)面匹配，完成匹配后返回“面對(duì)面接觸”對(duì)話框，再次點(diǎn)擊“確定”按鈕完成面對(duì)面接觸的創(chuàng)建。由于本例中相互接觸的零件較多，共計(jì)創(chuàng)建了46個(gè)面對(duì)面接觸對(duì)象，如圖9所示，圖中箭頭即表示所創(chuàng)建的面對(duì)面接觸。

4 分析求解與后處理

4.1 解算方案求解

右擊仿真導(dǎo)航器中“Soloton 1”，選擇“求解”彈出“求解”對(duì)話框，所有設(shè)置按照默認(rèn)設(shè)置，直接單擊確定按鈕即進(jìn)入求解過程，求解時(shí)會(huì)出現(xiàn)“分析作業(yè)監(jiān)視器”和“解算監(jiān)視器”兩個(gè)窗口，由于模型零件較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在較多面對(duì)面接觸及較多約束，解算過程約持續(xù)20 min。解算完成后分析作業(yè)監(jiān)視器窗口會(huì)出現(xiàn)“Completed”的提示，同時(shí)在仿真導(dǎo)航器下方會(huì)出現(xiàn)“Result”節(jié)點(diǎn)。

圖9 面對(duì)面接觸

4.2 解算結(jié)果查看

雙擊“Result”節(jié)點(diǎn)，界面跳轉(zhuǎn)至后處理導(dǎo)航器，在后處理導(dǎo)航器中可以查看整個(gè)機(jī)構(gòu)的應(yīng)變、應(yīng)力分析等仿真結(jié)果。圖10為整個(gè)裝配結(jié)構(gòu)的位移仿真結(jié)果。單擊工具欄中的“播放”圖標(biāo)可以更清晰的觀察整個(gè)機(jī)構(gòu)變形的具體變化過程。

在包邊主壓機(jī)構(gòu)中我們只需要關(guān)注基座、壓臂等關(guān)鍵部件的受力情況，UG結(jié)果后處理中可以隱藏其他非關(guān)鍵單元，單獨(dú)查看關(guān)鍵部件的分析結(jié)果。展開后處理導(dǎo)航器中“云圖繪圖”節(jié)點(diǎn)下“Post View 3”節(jié)點(diǎn)下的“3D單元”，取消勾選其他非關(guān)鍵單元，僅選擇需要查看的單元，即可單獨(dú)查看該關(guān)鍵單元。圖11～圖14分別為基座及壓臂的應(yīng)變?cè)茍D及應(yīng)力云圖。

通過仿真結(jié)果可知，包邊機(jī)主壓機(jī)構(gòu)基座最大應(yīng)變及應(yīng)力處均在通過銷軸與壓臂連接的銷孔處，壓臂最大應(yīng)變處在通過長軸與油缸活塞桿接頭連接的軸孔處，壓臂最大應(yīng)力處在通過銷軸與基座連接的銷孔處，這些部位是基座與壓臂這2個(gè)關(guān)鍵部件的薄弱部位，長期使用后有疲勞斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，通過對(duì)比圖1、圖2中基座及壓臂出現(xiàn)斷裂的部位，可以發(fā)現(xiàn)在生產(chǎn)實(shí)際中斷裂部位與分析結(jié)果相符，驗(yàn)證了分析結(jié)果的正確性。

通過分析結(jié)果可以指導(dǎo)維修人員在對(duì)包邊機(jī)進(jìn)行預(yù)防性維修時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注基座及壓臂的薄弱部位，一旦發(fā)現(xiàn)這些部位有輕微裂紋時(shí)能夠及時(shí)對(duì)裂紋部位進(jìn)行焊接修復(fù)，避免重大故障的發(fā)生。

圖10 機(jī)構(gòu)整體應(yīng)變位移云圖

圖11 基座應(yīng)變?cè)茍D

圖12 基座應(yīng)力云圖

5 結(jié)論

（1）探討了利用UG高級(jí)仿真模塊進(jìn)行臺(tái)式包邊機(jī)主壓機(jī)構(gòu)有限元分析方法，為其他多零部件裝配體的結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

（2）得出了包邊機(jī)主壓機(jī)構(gòu)整個(gè)裝配體及基座、壓臂等部件的應(yīng)變、應(yīng)力云圖，分析結(jié)果與實(shí)際情況相符，驗(yàn)證了分析的準(zhǔn)確性，為后續(xù)包邊機(jī)主壓機(jī)構(gòu)改進(jìn)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

（3）確認(rèn)了基座、壓臂等關(guān)鍵部件的應(yīng)力集中點(diǎn)，維修人員將這些部位作為PM重點(diǎn)檢查區(qū)域，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋并進(jìn)行焊接修復(fù)，避免重大故障發(fā)生。

圖13 壓臂應(yīng)變?cè)茍D

圖14 壓臂應(yīng)力云圖