外文翻譯--利用有限元法預(yù)測(cè)夾具系統(tǒng)的工件變形 中文版

利用有限元法預(yù)測(cè)夾具系統(tǒng)的工件變形 Shane P. Siebenaler, Shreyes N. Melkote* 喬治 W伍德拉夫機(jī)械工程學(xué)院，技術(shù)，亞特蘭大， GA 30332-0405 ，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院 Received 25 August 2004； accepted 7 April 2005 Available online 23 May 2005 摘 要 裝載工件夾具系統(tǒng)引起的工件變形的知識(shí)是重要的，以確保質(zhì)量的一部分生產(chǎn)。合適的方法，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)這種變形是必不可少的裝置的設(shè)計(jì)和操作 。在這方面 ,有限元模型已被廣泛應(yīng)用于然而 ,這些研究普遍忽視遵守的作用夾具工件變形體。也缺乏知識(shí)是不同的有限元模型參數(shù)的影響工件變形。本研究采用有限元分析（ FEA）模擬工件夾具系統(tǒng)，并探討影響遵守夾具工件變形體。此外 ,某些有限元模型參數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)的影響精度還審查。FEA 模型預(yù)測(cè)工件變形和定位反應(yīng)部隊(duì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在 5 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示協(xié)議，在這項(xiàng)研究中分析的工件夾具系統(tǒng) ,結(jié)果發(fā)現(xiàn) 98 系統(tǒng)符合被捕獲建模工件和夾具的接觸技巧。余下的變形發(fā)生在其他夾具元件。各種夾具模型的精度和計(jì)算時(shí)間的權(quán)衡。 關(guān)鍵詞： 夾具工件系統(tǒng) ；有限元分析 ；變形 1. 介紹 分析裝置的方法是必不可少的實(shí)踐加工和經(jīng)濟(jì)學(xué)，尤其是能力模型。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)工件變形誘導(dǎo)夾具負(fù)載或預(yù)測(cè)未知的夾具工件。接觸力是關(guān)鍵設(shè)計(jì)功能的裝置。最常見(jiàn)的用于建模和分析方法。夾具 - 工件系統(tǒng)包括剛體方法 ,聯(lián)系力學(xué)為基礎(chǔ)的方法和有限元建模方法。這些建模方法 1-3 是無(wú)法通過(guò)的定義預(yù)測(cè)工件變形，因此不適宜夾具對(duì)零件質(zhì)量的影響分析。 聯(lián)系力學(xué)的方法 ,雖然從一個(gè)具有吸引力，計(jì)算努力的立場(chǎng) ,零件可以是有限的，近似為彈性半空間。這種方法能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)未知，定位反應(yīng)部隊(duì)和本地化的接觸變形 4 - 6。然而 ,他們不適用兼容的零部件。另一方面，有限元模型是非常強(qiáng)大的，會(huì)計(jì)能為所有符合和非線(xiàn)性系統(tǒng)中存在。雖然利用有限元模型已 beenwidely文獻(xiàn)報(bào)道，受雇于在實(shí)踐中 ,明確了不同的作用的認(rèn)識(shí) .預(yù)測(cè)精度對(duì)工件的夾具符合變形是缺乏。也是知識(shí)的影響 .不同的有限元模型參數(shù)對(duì)工件變形缺乏。 在應(yīng)用中的一個(gè)共同的假設(shè)的有限元分析（ FEA）分析工件夾具系統(tǒng)是夾具 是完全剛性的，因?yàn)樗沁h(yuǎn)遠(yuǎn)高于圍追堵截。在許多應(yīng)用中的工件。在大多數(shù)這種情況下 ,是仿照工件夾具的位置和節(jié)點(diǎn)聯(lián)系被完全抑制。這一提法普遍被稱(chēng)為單點(diǎn)接 觸 7-12 。夾具元件不允許帳戶(hù)模型遵守夾具和忽略摩擦接觸效果夾具和工件之間，其他研究人員 13-16 利用線(xiàn)性彈簧，近似夾具部件的剛度。然而 ,這種方法需要?jiǎng)偠葴y(cè)量或近似 ,添加時(shí)間和引入潛在的錯(cuò)誤分析。 最近的工作 17-19 探索的表面使用接觸單元。這種做法使摩擦為藍(lán)本的影響。這種方法被用于本文報(bào)道的工作等。 17 使用有限元分析接觸單元來(lái)模擬多接觸夾具系統(tǒng)。然而 ,沒(méi)有調(diào)查摩擦的影響嚙合參數(shù)的結(jié)果 18,19。工作僅限于一個(gè)單一夾具 - 工件接觸。更多重要的 ,這些研究中沒(méi)有分析的 貢獻(xiàn)夾具的身體符合整體變形。 本文探討各種有限的影響元建模參數(shù) ,如摩擦和網(wǎng)密度工件變形。除了造型工件和夾具的秘訣 ,是常見(jiàn)的的效果。如支持符合其他夾具元件塊底座工件變形等也是檢查工件變形的有限元分析預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和定位反應(yīng)。 2夾具 - 工件系統(tǒng) 在這項(xiàng)研究中使用的工件夾具系統(tǒng) .包括限制在一個(gè) 3-2-1夾具布局塊空心的矩形截面壁厚。如圖。 1。鋁 6061- T6 （ EZ70 GPA,新西蘭 .0.334）工件測(cè)量 153毫米， 127毫米， 76 毫米 .并有一個(gè)固定的壁厚（圖 1 噸）從 6.至 10 毫米。兩個(gè)夾子采用按 工件對(duì)六個(gè)定位：三個(gè)主平面上 ,上的兩個(gè)輔助平面 ,第三平面上。球形和平面硬化 AISI 1144鋼（ EZ206 GPA,新西蘭 .0.296 ）與黑色氧化處理的夾具技巧被用來(lái)定位和夾緊工件。 3模型開(kāi)發(fā) 有限元模型構(gòu)建使用 ANSYSw.版本 5.7。實(shí)體模型組裝的棱柱塊夾具提示。系統(tǒng)中的所有組件為各向同性彈性體建模。夾具的秘訣顯示圖。 2 無(wú)論是平面建模作為氣瓶 .（夾具和定位圓形接觸面積的 60和 127 mm2的分別）或球（ 35毫米的曲率半徑）結(jié)束上限。平面和球面提示軸向長(zhǎng)度分別為： 6.4 和 10.2 毫米 , 10 節(jié)點(diǎn)的四面體 .元素SOLID92用于所有實(shí)體網(wǎng)格。 工件和夾具之間的接觸進(jìn)行了數(shù)值模擬使用二次曲面表面接觸 .元素 TARGE170 和CONTA174 。恒定的靜態(tài)摩擦系數(shù)是用來(lái)建立聯(lián)系的屬性在接口。到模擬地方的定位器 ,每個(gè)定位器尖端對(duì)面的表面接觸被限制在所有三個(gè)平移度自由。適用于一個(gè)均勻分布的壓力超過(guò)雙方夾相反的接觸面模擬所需的鎖模力 工件變形 ,分析了隨后的章節(jié) ,被發(fā)現(xiàn)在兩個(gè)點(diǎn)上工件。這兩點(diǎn)正方向 DC1 和 DC2,如圖。 3點(diǎn)的選擇 .根據(jù)工件的位置，經(jīng)歷了因?yàn)橐獖A緊大部分變形。 3.1 摩擦系數(shù)的敏感性 Satyanarayana 18 進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試 .相同的工件夾具系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)平均靜態(tài)和工件之間的摩擦系數(shù)為 0.18 （米）夾具的提示。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的平均值從 0.15至 0.25 。為了測(cè)試摩擦的影響 .工件變形預(yù)測(cè) ,有限元模型構(gòu)建工件壁的厚度 6-10毫米在前面所述的夾具抑制。頻譜從 0.15到 0.30 m的測(cè)試結(jié)合各種墻體的厚度。變形摘要結(jié)果列于表 2 。 3.1的平均差異在變形預(yù)測(cè)中被發(fā)現(xiàn)為一米的變化 0.05。這些結(jié)果表明，在小的變化的影響對(duì)工件變形的摩擦系數(shù)相當(dāng)小。 3.2 治療的主要平面定位 構(gòu) 建了一系列車(chē)型確定主平面定位的影響。對(duì)于正確 .設(shè)計(jì)的 3-2-1布局，工件旋轉(zhuǎn)阻止 ,三個(gè)主要采取的正常負(fù)荷平面定位工件的重量。摩擦這樣一個(gè)小負(fù)載所產(chǎn)生的力量往往相形見(jiàn)絀更大的夾持負(fù)荷。進(jìn)行了分析，確定是否必須在這些定位器的摩擦效應(yīng)占建模方法。 兩套邊界條件被應(yīng)用到塊與壁厚 7,8,9毫米。第一組 ,案件一 ,包括所有三個(gè)主要的飛機(jī)受到定位 .先前所描述的表面到表面的接觸邊界條件。被指定為 M 值 0.18 。 第二個(gè)配置 ,案例 B,刪除了所有三主平面定位，只是抑制了在翻譯的工件表面底部 z方向。 表 3給出了一個(gè)結(jié)果摘要。有限元 分析結(jié)果顯示，預(yù)測(cè)變形之間的不同兩個(gè)邊界條件設(shè)置由平均只有 1.31 。這小的沖擊，使有限元分析的底部定位無(wú)主平面定位將建造的模型從而節(jié)省了大量的計(jì)算時(shí)間。這個(gè)（案例 B ）邊界條件設(shè)置使用的只有 77和69 。完成平面模型的計(jì)算時(shí)間和球技巧 ,分別遺漏的三個(gè)加上主平面與制約的底部定位 .工件表面是用于配置隨后模型。應(yīng)當(dāng)指出，這逼近未必有效加工負(fù)載時(shí)還考慮到。 4網(wǎng)格密度的影響 雖然一些公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)使用的有限元分析分析工件變形 ,嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)的影響夾具，工件建模的網(wǎng)格密度符合缺乏。在確定的一個(gè)關(guān)鍵因素本次調(diào)查 的適當(dāng)有限元模型是選擇理想的網(wǎng)格密度。可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)粗網(wǎng)格不準(zhǔn)確的結(jié)果。然而 ,可能是太細(xì)網(wǎng)狀不必要的以及計(jì)算成本為本研究 ,SMRT 的智能網(wǎng)格功能 ANSYSw 利用構(gòu)建了堅(jiān)實(shí)的網(wǎng)狀。離散值從 1 （最密集的網(wǎng)狀）至 10 （至少密集目）被分配到各種固體部分。寬組合夾具和工件網(wǎng)格譜 .大小來(lái)確定最佳網(wǎng)目尺寸。為了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性 ,變形工件 ,DC1和 DC2,在兩個(gè)夾子的位置是計(jì)算。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果被用來(lái)作為基準(zhǔn)評(píng)估模擬結(jié)果的有效性。測(cè)試夾具與尺寸相同的模型構(gòu)建。這項(xiàng)研究的工件的壁厚均勻 .7毫米。夾具元件固定 15毫米 .厚鋼板底座 。上螺紋夾具提示主要飛機(jī)直接被擰成底座。 擰入鋼支撐塊等定位在打開(kāi)每個(gè)固定在底板上，通過(guò)四個(gè)螺栓兩個(gè)定位銷(xiāo)壓接。 兩個(gè)夾子 ,同樣被固定在通過(guò)鋼支撐塊底板 ,驅(qū)動(dòng)由液壓手動(dòng)泵。鉗驅(qū)動(dòng)的順序影響工件的撓度為由 otherresearchers顯示 20,21，作者在以往的工作 22。然而 ,在目前的研究 ,兩個(gè)夾子同時(shí)由一個(gè)單一的液壓泵驅(qū)動(dòng)。被視為驅(qū)動(dòng)倍差異的兩個(gè)夾子是微不足道的。在每一個(gè)點(diǎn)的變形使用電渦流探頭測(cè)量。改變目標(biāo)補(bǔ)丁的磁性檢測(cè)通量傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為位移值采集系統(tǒng)。超過(guò)五年的平均變形結(jié)果表 4給出每個(gè)尖端和負(fù) 載對(duì)試驗(yàn)。測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差為 0.43毫米。 5和 6之間的百分比誤差 .實(shí)驗(yàn)測(cè)量值和有限元分析結(jié)果平面和球形尖端案件 ,分別。圖 250鉗 1 N 在負(fù)載的情況下，球形和平面 .提示給每個(gè)墻厚度測(cè)試。類(lèi)似的趨勢(shì)被發(fā)現(xiàn)在 2鉗變形，以及為加載 350 N。作為描繪在圖 ,工件的網(wǎng)格密度對(duì)模型精度的主導(dǎo)作用。粗糙的網(wǎng)格密度可產(chǎn)生高達(dá) 20 的錯(cuò)誤結(jié)果。然而 ,圖中可以觀察。 6影響結(jié)果的準(zhǔn)確性?shī)A具尖上的網(wǎng)格密度要少得多。 工件和夾具 SMRT的密度水平平面的情況下 ,提供最準(zhǔn)確的結(jié)果 ,為五，兩 ,分別。沒(méi)有有限元網(wǎng)格密度比這個(gè)組合改變預(yù)測(cè)的 變形。對(duì)球形尖端案 ,1 SMRT的網(wǎng)狀 6個(gè)密度水平工件和夾具元件 waschosen 。表 5 總結(jié)了這些結(jié)果。由于表表演 ,有限元模型提供解決方案指定的網(wǎng)格密度小于 5 的誤差水平。選定的網(wǎng)格密度，適用于所有隨后的分析。元素屬性摘要選定的網(wǎng)格密度水平相對(duì)應(yīng)的是載于表 6。 5驗(yàn)證選定的網(wǎng)格參數(shù) 一般的有限元網(wǎng)格的有效性以上參數(shù)獲得工件夾具系統(tǒng)成立由申請(qǐng)到一個(gè)相同的網(wǎng)格指引不同的負(fù)載壁厚組合。相同的在第 4節(jié)被用作實(shí)驗(yàn)裝置。塊的壁厚是 8毫米和375列印夾緊負(fù)荷被利用。表 7給出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)有限元分析結(jié)果。正如上 表所示 ,有少有限元分析與實(shí)驗(yàn)值之間的誤差超過(guò) 5 ,從而確立了選定的網(wǎng)格充足為給定的工件夾具系統(tǒng)的參數(shù)。 6反應(yīng)力預(yù)測(cè) 另一點(diǎn)是利益之間的反作用力 .定位和工件。反應(yīng)部隊(duì)的知識(shí)重要的是確保系統(tǒng)的穩(wěn)定和平衡。使用所示的設(shè)置了一系列的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行圖 4 ，以確定在 1-3定位器反應(yīng)部隊(duì)。壓力敏感（富士前級(jí)）薄膜被用來(lái)在每個(gè)三個(gè)定位工件的接觸，以產(chǎn)生一種顏色烈度圖。個(gè)人圖像映射到 .密度陣列通過(guò)回歸分析，以確定接觸壓力 23 。印記的地區(qū)被發(fā)現(xiàn)使用照片編輯程序 ,導(dǎo)致的決心反應(yīng)部隊(duì)。網(wǎng)格參數(shù)在第 5 和建立的 0.18were 摩擦系數(shù)用來(lái)預(yù)測(cè)反應(yīng)部隊(duì)，在同一地點(diǎn)。表 8給出了分析結(jié)果?？梢钥闯觯瑥谋碛邢拊治龅念A(yù)測(cè)是在 5 的實(shí)驗(yàn)值，從而進(jìn)一步驗(yàn)證模型。 7夾具身體遵守的影響 在前面的章節(jié)中所描述的模型只用了考慮到工件和夾具的秘訣。最?yuàn)A具公布的分析認(rèn)為是剛性?shī)A具相比，由于其相當(dāng)高的剛度工件。從而 ,這些研究沒(méi)有模擬夾具本身并不能占到任何的變形效果夾具元件。本文 ,然而 ,尋求探討夾具遵守的貢獻(xiàn)的整體工件變形預(yù)測(cè)建模各種夾具要素。組件除了接觸提示仿照夾具支撐塊 ,底座 ,和鉗支持所示圖 7。一系列車(chē)型納入構(gòu)建這些組件的各種組合。 支持 塊和底座構(gòu)造堅(jiān)實(shí)的棱形塊匹配那些在尺寸物理設(shè)置。支持塊有尺寸 63.5 毫米， 50.8毫米， 73.8毫米。鋼底板尺寸 305毫米， 305毫米， 15毫米。平面和球形尖端夾具元件尺寸相同前面提到的文件。夾具提示建模為固定支撐塊通過(guò)的 vglue 命令的ANSYSw 。同樣是支持塊 .貼于底板和螺栓和銷(xiāo)釘孔 werenot 藍(lán)本。模型，包括底板使用。 vglue 命令追究主要平面定位元素板。對(duì)于包括支持塊模式，但不是底座 ,塊的底面限制自由，所有這三個(gè)平移度模擬被牢牢地固定在底板上的塊。為藍(lán)本的固體圓柱鉗支持氣瓶只能沿軸的翻譯夾緊力 。所產(chǎn)生的夾緊壓力液壓泵是仿照作為一個(gè)均勻分布整個(gè)區(qū)域的壓力鉗背面。 FEA模型工件壁的厚度 7,8,和 9毫米，用于分析。加載條件使用表 5中的相同。工件變形也被評(píng)估在相同的位置網(wǎng)格密度的研究。平面尖端案件的結(jié)果在表 9給出。 2的預(yù)測(cè)誤差 ,平均超過(guò)負(fù)荷條件和變形位置 ,是給予包括各種夾具元件的有限元分析模型。表中還給出了計(jì)算時(shí)間 .含夾具的技巧和模型相對(duì)工件。這是顯而易見(jiàn)的，造型的額外個(gè)別夾具元件提高了精度有限元只有輕微。完整的夾具模型顯示模擬結(jié)果的顯著改善 ,屈服結(jié)果在實(shí)驗(yàn)值的 1 。然而 ,完整的模型需要 653 的計(jì)算時(shí)間需要的只是工件和模型夾具的提示。對(duì)于球形提示夾具 ,建模夾具元件沒(méi)有改善的準(zhǔn)確性結(jié)果。 額外的夾具元件建模了更準(zhǔn)確地反映夾具，工件為平面接觸的情況下的相互作用。變形燈具本身 ,而小的比較工件 ,影響整體系統(tǒng)符合。有限元分析表明， 2.4 的測(cè)量變形。 實(shí)際上變形的夾具。仿真結(jié)果表明：遵守夾具的 22.7 發(fā)生在提示其余 77.3的支持系統(tǒng)。從而 ,原模型只包含工件和夾具提示捕獲 98.1 的整體系統(tǒng)符合。 7.1 支持塊遵守的意義 進(jìn)行了分析，看到在如何改變夾具遵守改變整體系統(tǒng)的初始配置夾具 模型以及作為案件的支持塊有不同的深度 e,被運(yùn)行。最初的深度 ,D0的 ,如圖。 8。圖 9地塊的百分比在發(fā)生系統(tǒng)變形夾具本身的各種歸 D 的值，這將是預(yù)計(jì)更薄塊量比較大的偏轉(zhuǎn)的 ,把更多的變形夾具。這假設(shè)被證實(shí)的陰謀。 8結(jié)論 本文側(cè)重于影響因素利用有限時(shí)，工件變形的預(yù)測(cè)有限元方法。特別 ,它分析的影響如接觸不同的有限元模型參數(shù)摩擦 ,網(wǎng)格密度和夾具機(jī)構(gòu)遵守有關(guān)預(yù)測(cè)工件變形。 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。模擬研究表明，模型工件和夾具的接觸面到面的基礎(chǔ)上 .接觸單元可以預(yù)測(cè)工件變形和反應(yīng)部隊(duì)，在實(shí)驗(yàn)值的 5 。網(wǎng)密度的工件被認(rèn)為是更重要 的模型的準(zhǔn)確性比夾具尖端密度。為夾具本文分析了工件系統(tǒng) ,所有超過(guò) 98 變形系統(tǒng)可以捕獲包含模型。 工件和夾具的提示。余系統(tǒng)的變形，是目前在夾具本身。 遵守捕捉建模整個(gè)夾具身體。然而 ,一個(gè)完整的夾具模型需要超過(guò) 6倍的計(jì)算時(shí)間。 9.致謝 這項(xiàng)工作是由部分由卡特彼勒技術(shù)中心和一個(gè)從格魯吉亞的配對(duì)補(bǔ)助金研究聯(lián)盟。 10.參考文獻(xiàn) 1 Y.C. 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