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宁波大红鹰学院
毕业设计（论文）外文翻译
所在学院： 机械与电气工程学院
专 业： 机械设计制造及其自动化
班 级： 12机自3班
姓 名： 佟贺
学 号： 1221080334
指导教师： 赵伟敏
2015 年 11 月 15 日
译文：
夹具设计的完整性有限元分析工具的开发验证和优化
尼古拉斯·阿马拉尔·约瑟夫J. Rencis·一鸣（凯文）蓉
摘要：在加工操作过程中，加工夹具被用来定位和约束工件。为确保制造的工件达到规定的尺寸和公差的要求，必须适当地定位并夹紧。工件和夹具模具变形的最小量是由夹紧和切削力影响的是提升加工精度的关键。一个理想的夹具设计最大限度地提高定位精度和工件的稳定性，同时最大限度地减少工件的位移。
本研究的目的是开发一种方法来模拟工件在一个加工过程中的边界条件和施加的载荷，使用有限元分析对模块化的夹具工具接触区域的变形和支持位置的优化进行分析。工件的边界条件被定义为定位器和夹子。定位器被放置在一个3-2-1夹具，使用线性弹簧间隙元素建模约束工件所有的自由度。被模拟为点载荷的夹具。工件被装载到模型中模拟操作钻铣加工的切削力。
对夹具设计的完整性进行验证。ANSYS参数设计语言代码用于开发一种算法自动优化夹具支架和夹具的位置以及夹紧力，以尽量减少工件变形，最后增加加工精度。通过在计算机环境辅助夹具设计实现有限元分析，不必要进行不经济的有“试验和误差”的车间试验。
关键词：FEA、有限元分析、夹具优化
1引言
加工夹具用于定位和在机床加工操作过程中限制一个工件。以确保该工件是根据指定的尺寸和公差制造，因此必须进行适当的定位和夹紧。生产质量在很大程度上取决于工件和机床的相对位置。尽量减少工件和夹具加工变形，由于夹紧力和切削力是加工中是非常重要的加工参数。加工过程中工件变形直接关系到工件夹具系统的刚度。一个理想的夹具设计应该最大化定位精度，工件稳定性和刚度，同时最大限度地减少位移。
传统的夹具设计试验和试误是耗时耗力的。研究柔性夹具和计算机辅助夹具设计（CAFD）已显著降低生产交货时间和成本。本研究的目的是开发一种计算机辅助工具来模拟工件的边界条件和施加的载荷在加工。
大多数的有限元分析（FEA）在夹具设计中进行的研究认为工件的边界条件是刚性的，并施加的载荷比较集中。在只有摩擦的情况下，假定刚性库仑摩擦力。不考虑切削工具的扭矩导致工件旋转的趋势。夹紧力被认为是恒定点载荷。
该研究认识到工件的边界条件变形而影响工件的夹具系统的整体刚度。工件，定位器的边界条件，模拟为多个并行的弹簧连接至加工工件时夹具接触区域的工件的表面。另外，边界条件的切向和法向刚度组件不假定等于作为刚性库仑摩擦，但是各自独立分配。由于进刀的考虑，在应用负载代表了机械加工，扭矩，轴向和横向载荷。深入探讨本文工作可以在阿马拉尔[ 1 ]。
在这项研究中,在ANSYS进行有限元分析和优化。在分析中，工件被导入初始图形交换标准（IGES）格式。材料特性，单元类型，和实常数的定义。工件啮合和边界条件和载荷的应用。然后对模型求解及结果中检索参量，和支撑位置，夹紧位置和夹紧力优化，以尽量减少工件偏转[1]。本文所开发的方法的优点是，不需要外部的软件包进行优化，从而两个程序包之间的兼容性没有问题。
2文献综述
对夹具设计和上述的有限元分析夹具设计的研究得原则进行了讨论。尽管一些夹具设计的研究已经在进行，尚未开发出准确反映综合性的实际边界条件和载荷有限元模型。表1和表2总结了进行有限元分析和夹具设计研究的先河。
表1。工件模型文献调查
参考
类型
材料
E(PA)
工件模型
V μ
单元类型
李和海恩斯[2]
均匀各向同性线性弹性
6.9×108
0.3
U/A*
3-D实体8节点砖
Pong等。[3]
铝合金各向同性的线弹性
6.9×1010
0.3
U/A
3-D实体10节点四面体;
ANSYS SOLID92
Trappey等。 [5]
铝合金各向同性的线弹性
6.9×1010
0.3
0.3
U/A
蔡等。
钢材各向同性的线弹性
2.1×1011
0.3
U/A
二维四结点矩形单元；MSC NASTRAN QUAD4
Kashyap和DeVries[7]
铝合金各向同性的线弹性
6.9×1010
0.3
U/A
3-D实体四面体单元
*U/A:/不可用
表2。边界条件和荷载的文献综述
参考
夹具元件模型
稳态负荷模型
定位器
夹具
钻孔
铣削
李和海恩斯[2]
刚性区域约束，
刚性库仑摩擦
U/A*
U/A
正常和剪切点载荷
Pong等。[3]
三维弹簧间隙接口单元，
刚性库仑摩擦
N/A**
正常点载荷
N/A
Trappey等。 [5]
三维实体变形约束
点荷载
正常点载荷
正常和剪切点载荷
蔡等。
刚性点约束
N/A
正常点载荷
正常和剪切点载荷
Kashyap和DeVries[7]
刚性点约束
点荷载
正常点载荷
正常和剪切点载荷
*U/A:不可用；
**N/A:不适用。
李和海恩斯[2]采用有限元分析以减少工件变形。他们的建模线性弹性的工件，但工装夹具蓝本为刚性。他们的目标函数包括通过夹紧和机加工力，在工件上施加最大应力，使变形指数最大化。他们的研究认为，夹具元件的必要数目和夹紧力的大小对于部分变形的重要性[3]。Manassa和DeVries医师[4]进行了类似的研究，认为李和海恩斯[2]在线弹性弹簧模拟夹具的元件。
庞等使用的弹性间隙刚度原理，运用分离和摩擦的功能来模拟弹性工件边界条件。有限元法分析工件加工时的应力-应变行为和夹紧力的应用。一个数学优化模型制定了一个可行的夹具配置，以尽量减少工件变形。
蔡等。[ 6 ]利用有限元法分析金属板料变形和优化支撑的位置，以减少由此产生的位移。Kashyap和DeVries [ 7 ]]利用有限元分析模拟的工件和夹具及刀具变形，并开发了优化算法考虑和支持工具的位置为设计变量，在选择结点时以尽量减少变形。
对有限元分析及工装夹具设计优化研究的总结如表3所示，大多数的有限元分析和夹具优化设计的研究，产生和发展了一种数学算法。傍等。 [3]用椭球体的方法来优化支承的位置，并尽量减少节点的偏转。Trappey等。 [5]使用了外部软件包，吉诺[8]，优化了支撑位置和夹紧力。Cai[ 6 ]在一个软件包的基础上使用外部FORTRAN 序列二次规划算法，VMCON，完成N个-2-1的支撑位置的准牛顿非线性约束优化，以尽量减少金属片变形Kashyap和DeVries [ 7 ]开发和优化了一种离散数学算法。
表3。最优化分析文献综述
参考
优化分析
方法
目标函数
软件包
Pong等。[3]
椭球算法
节点变形
N/A*
Trappey等。 [5]
非线性数学算法
节点变形
GINO[8]
蔡等。
序列二次规划算法
薄板表面的节点挠度
VMCON[9]
Kashyap和DeVries[7]
离散数学算法
节点变形
N/A
*N/A:不适用
图1。夹具设计分析方法论
3夹具的设计分析方法
图1中的流程图是对这项工作中制定和使用的夹具设计分析方法的总结。总之，工件从IGES几何实体造型为突破口，工件模型进行网格划分，施加边界条件，模型加载，加工操作，模型求解，然后边界条件进行优化，以尽量减少工件变形。
3.1工件模型
工件模型是分析的出发点。这项研究目前限制了固体工件的几何形状与平面表面的定位。一些工件的几何形状可能包含薄壁和非平面的定位面，这是在这项研究中不考虑的。
–工件的几何模型，在Pro/E或其他实体建模软件创建的IGES格式输出线框和表面分析。IGES是一个中性的标准格式，用于CAD CAM CAE系统之间交换格式。ANSYS提供了两种导入IGES文件，DEFAULT和ALTERNATE。默认选项允许文件转换，无需用户干预。转换包括自动合并和创建卷来制备相啮合的型号。备用选项使用标准的ANSYS几何数据库，并提供了一种用于与先前的ANSYS导入选项向后来发布版本的兼容性。备用选项自动创建卷和模式，通过这个转换器需要手动输入修复通过PREP7的几何工具。要选择导入IGES文件的选项，IOPTN使用。请参阅附录A中[1]进行了详细的实施说明。
表4。工件和定位器材料性能
材料
E(PA)
Ρ(kg/m3)
v
σy(PA)
工件
AISI 1212
2.0×1011
7861
0.295
2.3×108
定位器
AISI 1144
2.0×1011
7861
0.295
6.7×108
材料特性 - 在本研究中的工件材料是均匀的，各向同性的，线性弹性和韧性;这是与大多数的金属工件的材料特性相一致。所选择的材料是SAE / AISI1212易切削级（一个）碳钢与杨氏模量，E =30×106磅泊松比，ν=0.295，和密度，ρ=0.283磅/立方英寸，以及硬度为175 HB。这项研究中选定使用SAE1212钢，因为它是常用机械加工并且是一个基准材料，可以通过简单地在ANSYS改变各向同性的材料属性被用于对任何材料的工件。表4列出了本研究中用于工件和定位器中选择的材料的性能。
3.2网状工件模型
点六面体元件（SOLID45），在每个节点三个自由度，和线性位移行为被选择为网格工件。SOLID45用于固体结构的三维造型。在节点X，Y和Z方向的平移：该元件是由具有三个自由度，每个节点8个节点。所述SOLID45元件退化为有三度每节点自由的4节点四面体的配置。四面体的配置更适合啮合的非棱柱几何形状，但比所述六角构造不太准确。ANSYS建议该网格的被包含在四面体结构SOLID45元素不超过10％。对于元素类型选择过程的详细说明，请参阅[1]。
3.3约束条件
定位器和夹具确定工件模型的约束条件。该定位器可以模拟为点或接触面积和夹具建
为指向力。
定位器
点接触。最简单的边界条件是在单个节点上的一个点的约束。本地坐标系统（LCS），从全局坐标系原点参考，在每个定位器接触区域的中心创建的，以使得z轴垂直于工件定位表面。最靠近本地的中心坐标系原点的节点被选中并且所有三个平移自由度（UX，UY和UZ）的被约束。点约束模型刚性定位具有无穷小的接触区域。
模型定位刚度和摩擦的接触点，三维接口弹簧隙元件被放置在局部坐标系的中心。该元件被连接到现有节点上的工件的表面上，并以一个完全约束复制节点从工件表面在局部坐标系中，即，垂直于表面的z方向上的偏移。图2是用来表示一线状弹性定位器的CONTAC52元件的模型。
区域接触。要模拟一个接触区域的刚性定位器，多个节点固定在接触区域内。LCS是造成工件表面的接触面积的中心定位。一个圆形的接触面积，圆柱LCS创建节点在0＜r＜RL中选择。对于矩形的接触面积，笛卡尔LCS被创建和节点，在0
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