基于C-GIS氣箱焊接夾具關(guān)鍵零件強(qiáng)度的CAE仿真分析

摘 要：本文介紹C-GIS氣箱直焊縫夾具的設(shè)計(jì)原理以及結(jié)構(gòu)，采用CAE仿真技術(shù)分別對(duì)夾具關(guān)鍵零件螺桿和夾頭進(jìn)行強(qiáng)度分析，仿真主要從夾具關(guān)鍵零件雙頭螺桿和夾頭的三維建模（力學(xué)模型）、載荷狀況和網(wǎng)格劃分等入手，得到對(duì)應(yīng)工況下雙頭螺桿和夾頭的位移云圖、應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，根據(jù)云圖分析相應(yīng)載荷的螺桿和夾頭的應(yīng)力、應(yīng)變情況，快速掌握螺桿和夾頭的承載能力，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)推導(dǎo)螺桿和夾頭的最大載荷。采用該方法可以應(yīng)用于任何零部件設(shè)計(jì)的強(qiáng)度仿真分析。

關(guān)鍵詞：直焊縫夾具；零件設(shè)計(jì)；強(qiáng)度仿真

中圖分類號(hào)： TH 12" " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

柜式氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備（CubicleGas-Insulated

Switchgear，C-GIS）是集智能控制、保護(hù)、監(jiān)視、測(cè)量和通信于一體的高新技術(shù)產(chǎn)品。其將氣體SF6、氣體N2或混合氣體作為開(kāi)關(guān)設(shè)備的絕緣介質(zhì)，將真空或氣體SF6作為滅弧介質(zhì)，將母線、斷路器和隔離開(kāi)關(guān)等中高壓元件密閉在箱體中，綜合運(yùn)用現(xiàn)代絕緣技術(shù)、開(kāi)斷技術(shù)、制造技術(shù)、傳感技術(shù)和數(shù)字技術(shù)來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)。C-GIS具有體積小、節(jié)省安裝空間、運(yùn)行可靠、安全性高、柜體氣密性好、使用壽命長(zhǎng)以及適用于惡劣環(huán)境條件等優(yōu)點(diǎn)，因此已經(jīng)成為開(kāi)關(guān)柜的主流產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于中高壓開(kāi)關(guān)柜。

1 柜體氣密性的重要作用

柜體氣密性影響C-GIS的品質(zhì)，廠家建造機(jī)器人焊接柜體氣箱，以提高產(chǎn)品質(zhì)量，引進(jìn)新的生產(chǎn)線或者改造原有生產(chǎn)線，使用薄壁不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)，采用激光焊接、氦質(zhì)譜檢漏等技術(shù)不斷提升密封氣箱的精度和剛度。本文在研究C-GIS氣箱直焊縫夾具結(jié)構(gòu)原理的基礎(chǔ)上，應(yīng)用CAE仿真對(duì)夾具的關(guān)鍵零件強(qiáng)度進(jìn)行分析。

2 夾具設(shè)計(jì)原理及夾具結(jié)構(gòu)

2.1 夾具設(shè)計(jì)原理

本文對(duì)原有的C-GIS柜體生產(chǎn)線上的氣箱直焊縫夾具進(jìn)行改造升級(jí)，解決焊接薄壁箱體的變形問(wèn)題，提高機(jī)器人焊槍的焊接效率和質(zhì)量。C-GIS氣箱是薄壁箱體，在焊接過(guò)程中，由于夾具緊力過(guò)大、焊接發(fā)熱導(dǎo)致變形，影響氣箱焊縫的氣密性，因此C-GIS柜體的品質(zhì)不能提升。針對(duì)以上問(wèn)題，在設(shè)計(jì)原理、焊接工藝方面，本套夾具盡量避免使工件產(chǎn)生過(guò)大變形。本套夾具能夠在一次裝夾、3次旋轉(zhuǎn)工位的情況下完成箱體的12條焊縫的焊接。

2.2 夾具結(jié)構(gòu)分析

C-GIS氣箱直焊縫夾具的左半部分如圖1所示[1]。由圖1可知，在工位狀態(tài)下，夾具貼靠薄壁氣箱左端的左端定位器后，在1個(gè)豎向的雙頭反向梯形螺紋差動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下，上下導(dǎo)桿引導(dǎo)上下組件做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使上下夾頭相對(duì)氣箱左端進(jìn)行上下開(kāi)合運(yùn)動(dòng)，達(dá)到對(duì)薄壁氣箱上下夾持定位的目的；在另一根前后橫向的雙頭反向梯形螺紋差動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下，前后導(dǎo)桿引導(dǎo)前后組件做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使前后夾頭相對(duì)氣箱左端進(jìn)行前后開(kāi)合運(yùn)動(dòng)，達(dá)到對(duì)薄壁氣箱前后夾持定位的目的[2]。上下夾頭中的下夾頭為承接薄壁氣箱的主要質(zhì)量的零件，上夾頭和前后夾頭主要起定位作用。當(dāng)夾具沿旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)90°變換工位時(shí)，處于下方的夾頭為主要承重零件，隨著工位旋轉(zhuǎn)變換，4個(gè)夾頭會(huì)輪流處于夾具下方，均作為主要承重零件承接氣箱的質(zhì)量，因此在設(shè)計(jì)中4個(gè)夾頭均有強(qiáng)度測(cè)算的需求。本文研究在1根雙頭差動(dòng)螺旋傳動(dòng)的帶動(dòng)下（即螺桿做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，螺母沿螺桿做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)），上下組件、前后組件分別在上下導(dǎo)桿、左右導(dǎo)桿的推動(dòng)下做上下、左右開(kāi)合運(yùn)動(dòng)，夾緊或松開(kāi)氣箱一端，上下夾頭、前后夾頭均能夠沿“V”形槽完成伸縮運(yùn)動(dòng)，當(dāng)焊槍通過(guò)焊道時(shí)夾頭能夠避讓焊道。下面將利用CAE仿真技術(shù)對(duì)夾具關(guān)鍵零件雙頭差動(dòng)螺旋傳動(dòng)螺桿和可伸縮夾頭進(jìn)行仿真分析。

3 螺桿強(qiáng)度CAE仿真分析

3.1 螺旋傳動(dòng)的工作原理

雙頭、反向和雙動(dòng)螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖2所示。

在工作的過(guò)程中，螺桿原地做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，螺母沿螺桿做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。設(shè)螺桿左側(cè)為左旋螺紋，螺桿右側(cè)為右旋螺紋，螺桿為固定狀態(tài)，不能左右移動(dòng)，只能原地做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，螺母在螺桿帶動(dòng)下做相向或相反的左右開(kāi)合運(yùn)動(dòng)。螺母開(kāi)合移動(dòng)推動(dòng)圖1中的導(dǎo)桿運(yùn)動(dòng)，螺母的位移量和導(dǎo)桿的伸縮量最終決定夾具夾頭的開(kāi)合行程，也就是加持氣箱的規(guī)格。

3.2 螺桿承載CAE仿真分析

本文以?shī)A具的最大夾持規(guī)格的氣箱作為研究對(duì)象分析螺桿的承載強(qiáng)度。設(shè)氣箱為長(zhǎng)900 mm×寬600 mm×高750 mm、帶加強(qiáng)筋以及厚度為3 mm的不銹鋼六面體，螺桿的質(zhì)量G約為100 kg

3.2.1 螺桿的設(shè)計(jì)

設(shè)螺桿總長(zhǎng)為460 mm，中間傳動(dòng)軸頭部分（即安裝輪轂的部分）長(zhǎng)度為60 mm，直徑為30 mm。根據(jù)螺桿的裝配情況、受力情況、前期測(cè)試數(shù)據(jù)以及傳動(dòng)螺紋的特點(diǎn)設(shè)雙頭差動(dòng)螺桿的螺紋為梯形螺紋，其參數(shù)為Tr30×5-6g-L，左端為左旋螺紋、右端為右旋螺紋。

3.2.2 螺桿模型化分析

對(duì)螺桿工作狀態(tài)進(jìn)行跟蹤并分析，將螺桿的工況近似看作靜止?fàn)顟B(tài)，按照力學(xué)模型原理將螺桿簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁后進(jìn)行CAE仿真分析，在不影響計(jì)算結(jié)果的情況下，可以降低分析問(wèn)題的難度[3]。螺桿簡(jiǎn)支梁模型如圖3所示。

3.2.3 螺桿基礎(chǔ)條件設(shè)定

螺桿的橫截面均為圓形，其中AB、CD段有公稱直徑為30 mm的梯形傳動(dòng)螺紋，強(qiáng)度仿真測(cè)試取牙底徑25 mm進(jìn)行仿真，結(jié)果會(huì)更加接近真實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。螺桿材料為中碳鋼45號(hào)鋼，其彈性模量E為2.09×1011 Pa，屈服強(qiáng)度為3.55×1011 Pa，泊松比為0.269。

3.2.4 螺桿CAE仿真注意事項(xiàng)

由上文可知，將螺桿簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁（簡(jiǎn)稱梁（螺桿））的CAE仿真與幾何實(shí)體的仿真不同[3]。按照新建梁（螺桿）模型、添加幾何體、模型料設(shè)置、梁?jiǎn)卧獙傩栽O(shè)定、網(wǎng)格劃分、添加約束和載荷、仿真計(jì)算以及發(fā)布報(bào)告等順序進(jìn)行操作。需要說(shuō)明3點(diǎn)。1）梁（螺桿）的建模步驟是用直線段繪制梁（螺桿）的長(zhǎng)度，再按照三段梁的幾何特性逐段設(shè)定梁的幾何單元屬性，也就是賦予每段梁（螺桿）直徑尺寸。2）當(dāng)劃分網(wǎng)格時(shí)單元尺寸選擇梁（螺桿）長(zhǎng)度的整數(shù)倍，并啟動(dòng)“顯示節(jié)點(diǎn)編號(hào)”和“顯示節(jié)點(diǎn)”功能，方便后續(xù)“添加約束”和“添加載荷”操作。3）當(dāng)B點(diǎn)加載“固定約束”時(shí)選擇“自定義約束”，參考笛卡爾坐標(biāo)系選擇XOY坐標(biāo)面，并同時(shí)在“笛卡爾系方向”勾選X軸、Y軸方向以及X軸、Y軸，其“軸向值”均按照正向零值設(shè)置參數(shù)；C點(diǎn)加載過(guò)程與B點(diǎn)基本相同，但是C點(diǎn)在“笛卡爾系方向”只勾選X軸方向。在CAE靜力學(xué)分析過(guò)程中，進(jìn)行這項(xiàng)操作可以更好地對(duì)梁（螺桿）的軸向伸縮變形進(jìn)行仿真。

3.2.5 螺桿仿真數(shù)據(jù)以及結(jié)果分析

根據(jù)螺桿的長(zhǎng)度取其單元尺寸為20 mm，總節(jié)點(diǎn)為24個(gè)。在軟件中選擇“顯示網(wǎng)格點(diǎn)”能夠準(zhǔn)確選取加載點(diǎn)。螺桿網(wǎng)格參數(shù)見(jiàn)表1。螺桿網(wǎng)格化節(jié)點(diǎn)分布情況如圖4所示。

由CAE靜力學(xué)仿真運(yùn)算結(jié)果可知，在以上仿真試驗(yàn)條件下，螺桿產(chǎn)生的最大變形分布在螺桿兩端，符合實(shí)際情況。螺桿總位移云圖如圖5所示。螺桿總應(yīng)變能云圖如圖6所示。由圖5可知，當(dāng)外載荷F為500 N時(shí)，該螺桿的最大變形量為5.199×10-3 mm，最大應(yīng)變值為5.704×10-5 J。

當(dāng)螺桿處于屈服強(qiáng)度3.55×108 Pa時(shí)，螺桿將承受最大應(yīng)力，經(jīng)過(guò)計(jì)算其能承受的最大載荷Fmax=180 kN。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)最大載荷Fmax螺桿的參數(shù)、材料等進(jìn)行修改，更好地滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。

4 夾頭強(qiáng)度CAE仿真分析

4.1 “V”形伸縮機(jī)構(gòu)工作原理

“V”形伸縮機(jī)構(gòu)如圖7所示，夾頭能夠在“V”形塊中移動(dòng)伸縮，即夾頭沿“V”形塊伸出，起到夾持并托舉工件的作用，反之，沿“V”形塊收縮使夾頭避開(kāi)焊道，方便焊槍順利通過(guò)。夾頭在C-GIS氣箱直焊縫夾具的焊接工位中起到上下、前后夾持氣箱的作用，當(dāng)夾頭處于工位的下端時(shí)，其既起到對(duì)被焊箱體的定位作用，又對(duì)箱體起支撐作用。由夾具設(shè)計(jì)原理可知，圖1中的夾具可以沿橫向軸旋轉(zhuǎn)，每個(gè)夾頭都有可能旋轉(zhuǎn)，處于下端工位，因此其強(qiáng)度決定夾具的承載能力。

4.2 夾頭承載能力CAE仿真分析

本文夾頭以圖7中的設(shè)計(jì)參數(shù)為例進(jìn)行仿真分析。綜上所述，當(dāng)夾頭沿“V”形塊退回避讓焊道時(shí)，其并不承擔(dān)任何載荷，無(wú)須進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。此處重點(diǎn)對(duì)夾頭當(dāng)沿“V”形塊伸出并承擔(dān)載荷時(shí)的強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析。

4.2.1 夾頭材料設(shè)定以及工況分析

夾頭材料仍然選擇性價(jià)比較高的中碳鋼45號(hào)鋼。夾頭使用“V”形塊固定，實(shí)現(xiàn)夾持氣箱的功能。為充分考慮夾頭的承載強(qiáng)度，本文設(shè)計(jì)夾頭最大伸出量不超過(guò)自身長(zhǎng)度的一半。由于本次測(cè)試氣箱材質(zhì)已經(jīng)在前文確定，因此單個(gè)夾頭能承受的最大載荷即氣箱質(zhì)量的一半。

4.2.2 夾頭CAE仿真前模型化分析

夾頭使用“V”形塊固定，當(dāng)夾持工件時(shí)夾頭伸出部分夾持氣箱，未伸出部分與“V”形塊接觸起支撐作用，此時(shí)夾頭可以簡(jiǎn)化為懸臂梁模型進(jìn)行仿真測(cè)試，并不影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性[3-5]。

4.2.3 夾頭仿真數(shù)據(jù)以及結(jié)果分析

將夾頭按照3D模型進(jìn)行網(wǎng)格化處理，其網(wǎng)格化信息見(jiàn)表2，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，由表2中的單元尺寸、容差和總節(jié)數(shù)等參數(shù)值能夠得到接近實(shí)際效果的、逼真的仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)。如果網(wǎng)格過(guò)于細(xì)密，就會(huì)增加運(yùn)算時(shí)間和成本，并不利于仿真數(shù)據(jù)的采集。夾頭網(wǎng)格如圖8所示，網(wǎng)格足夠細(xì)密，符合本次仿真要求。

夾頭位移云圖如圖9所示，夾頭應(yīng)變能云圖如圖10所示，夾頭應(yīng)力云圖如圖11所示。在集中載荷500 N作用下，夾頭的最大變形為3.341×10-2 mm，最大應(yīng)變能為1.181×10-5 J，最大應(yīng)力為408.3 MPa。

設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)夾頭的屈服強(qiáng)度3.55×108 Pa來(lái)計(jì)算夾頭所能承受最大應(yīng)力，或者推算夾頭最小尺寸以及安全承載能力，可以大幅度縮短零件的試制周期和生產(chǎn)周期。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)螺桿、夾頭關(guān)鍵零部件的受力以及裝配情況合理簡(jiǎn)化力學(xué)模型，可以大幅度降低研究的復(fù)雜程度。合理選擇研究對(duì)象的網(wǎng)格化信息，得到較為逼真的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在C-GIS氣箱直焊縫夾具工藝中采用CAE仿真技術(shù)，對(duì)關(guān)鍵零件螺桿、夾頭的設(shè)計(jì)以及強(qiáng)度分析起到了關(guān)鍵作用。綜上所述，CAE仿真分析除了應(yīng)用于靜力學(xué)分析外，還應(yīng)用于動(dòng)力學(xué)分析、熱輻射分析等，能夠在所有零部件設(shè)備的設(shè)計(jì)、試制或工藝改造環(huán)節(jié)根據(jù)工況需要隨時(shí)修改其參數(shù)。仿真測(cè)試結(jié)果的采集與分析為科研人員完善設(shè)計(jì)方案提供了更為便捷的途徑。

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作者簡(jiǎn)介：杜建霞（1970-），女，漢族，甘肅天水人，本科，甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院教授，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)以及自動(dòng)化。

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