對裝配線線體Pro - E參數(shù)化設(shè)計及ANSYS有限元分析 - 圖文-

1、文章編號:1001-2265(200703-0020-03收稿日期:2006-08-17作者簡介:林巨廣(1963,男,安徽六安人,合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院教授,在職博士,主要從事先進(jìn)制造裝備的研究,(E -mail fang 2weinm 。對裝配線線體Pr o /E 參數(shù)化設(shè)計及ANSYS 有限元分析林巨廣,劉波(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,合肥230009摘要:論述了應(yīng)用Pr o /E 軟件進(jìn)行汽車裝配線線體的三維建模及參數(shù)化設(shè)計方法。實現(xiàn)了機(jī)械零件裝配圖的快速造型和重構(gòu)。利用Pr o /E 與ANSYS 接口技術(shù)和ANSYS 軟件,對Pr o /E 中設(shè)計的具體裝配線線體在一

2、定載荷作用下的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了有限元仿真分析。研究結(jié)果對裝配線線體的開發(fā)、改進(jìn)和優(yōu)化裝配線線體的設(shè)計具有一定的參考價值。關(guān)鍵詞:裝配線線體;三維建模;參數(shù)化設(shè)計;有限元應(yīng)力分析中圖分類號:TH165+.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AParam etr i c D esi gn and F i n ite Ele m en t Ana lysis of A sse m bly L i n eL I N Ju 2guang,L I U Bo(School ofMechanics and Aut omobile Engineering,Hefei University of Technol ogy,Hefei 23

3、0009,China Abstract:The method of 3D modeling and parametric design of aut o asse mbly line in Pr o /E s oft w are is dis 2cussed .It realize quickly model of mechanical part .U sing the interface technol ogy bet w een Pr o /E and ANSYS s oft w are,the si m ulati on analysis of stress status of the

4、asse mbly L ine designed in Pr o /E under a certain l oad is made .The research results has reference value t o gear model library devel opment and t o the op ti m izati on design of the asse mbly L ine .Key words:asse mbly line;3D modeling;para metric design;finite ele ment stress analysis0引言近幾年來隨著

5、汽車工業(yè)的迅速發(fā)展,伴隨著汽車裝備的發(fā)展,反之亦然。汽車裝配線線體是汽車裝備中應(yīng)用較為廣泛的一種裝配件。傳統(tǒng)裝配線線體的設(shè)計采用的是類比、經(jīng)驗設(shè)計,有時即使做一些強(qiáng)度校核,也只是用很粗糙的方法,在樣機(jī)制造出來之前,無法知道其設(shè)計的可靠性,因此,必須要通過制作樣機(jī),進(jìn)行檢測,才能確知設(shè)計的合理性。如果設(shè)計中某個參數(shù)不合理,只有等到下次制作時,才能進(jìn)行修改。因此傳統(tǒng)的裝配線線體的設(shè)計存在設(shè)計周期長、效率低的缺點。本文利用Pr o /E 軟件建立了裝配線線體的參數(shù)化設(shè)計模型。同時,利用Pr o /E 和ANSYS 接口,把所建立的三維實體模型導(dǎo)入ANSYS,對裝配線線體在一定載荷條件下的應(yīng)力分布狀態(tài)

6、進(jìn)行了實例分析和研究。本文的研究結(jié)果對于裝配線線體的參數(shù)化和系列化設(shè)計、對于裝配線線體模型庫的開發(fā)、及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷,優(yōu)化設(shè)計和提高設(shè)計效率具有重要意義。1裝配線線體的介紹本文論述的為汽車裝配線線體的參數(shù)化,首先對裝配線線體進(jìn)行一下介紹,它主要有托盤小車組件、軌道組件、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、立柱護(hù)板、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)護(hù)板、工具箱、定位系統(tǒng)、返回拉桿組件、推桿組件和按鈕等附件構(gòu)成。在這次分析中我們對其中的一些關(guān)鍵零件進(jìn)行參數(shù)化,對一些通用的零件實行標(biāo)準(zhǔn)化。這樣可以簡化問題的研究,也更符合參數(shù)化的思想。我們通過對線體的分析,確定了小車、立柱、轉(zhuǎn)向座、轉(zhuǎn)向架、立柱護(hù)板、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)護(hù)板和工具箱等七個零件為參數(shù)化驅(qū)動零件。0

7、2設(shè)計與研究組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)2裝配線線體參數(shù)化模型的構(gòu)建2.1概述1Pr o /E 是美國參數(shù)技術(shù)公司(Para metric Technol ogy Cor porati on 開發(fā)的CAD /CAE /CAM 軟件。其全新的概念幾乎成為當(dāng)今全世界機(jī)械CAD /CAE /CAM 領(lǐng)域的一面旗幟和標(biāo)準(zhǔn),尤其是第3代產(chǎn)品Pr o /E wildfire版本,由于具有強(qiáng)大的參數(shù)化特征造型功能而受到企業(yè)界的一致認(rèn)同。同時,該軟件與有限元分析軟件接口較好,因而已成為國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的三維建模軟件。本文通過Pr o /E 中的二次開發(fā)工具族表(Fa m ily Table 2創(chuàng)建了裝配線線體的參

8、數(shù)化模型,如果需要修改模型,只要在族表中添加參數(shù),并在打開組件模型時選擇該實例,就可以得到不同的三維裝配線線體模型,進(jìn)而為裝配線線體模型庫的開發(fā)提供基礎(chǔ)。2.2裝配線線體參數(shù)化模型的構(gòu)建過程如下(1創(chuàng)建裝配線線體的所有零件的基本實體及其特征并生成三維實體模型,創(chuàng)建裝配線線體的組件模型,在其中添加裝配所有零件。(2對上面分析的要進(jìn)行參數(shù)化的零件創(chuàng)建族表,并在族表中添加參數(shù),在組件模型同樣創(chuàng)建族表,不過在其中添加的是零件族表中的實例。(3創(chuàng)建完成后,該裝配線線體模型就形成了參數(shù)化驅(qū)動模型,以后只要在零件族表中添加參數(shù)和在組件族表中添加實例,并在下次打開組件模型時選擇該實例,就可以自動生成三維裝配線

9、線體實體模型,從而減少設(shè)計人員的重復(fù)性勞動,提高設(shè)計效率。添加完各個族表零件到總裝配圖的族表后的界面如圖1所示。所創(chuàng)建的具有參數(shù)化特征的裝配線線體模型如圖2所示 。圖1 總裝配圖的族表界面圖2裝配線線體三維實體模型(4將構(gòu)建后的裝配線線體模型保存為“I GES ”格式,利用Pr o /E 與ANSYS 軟件的接口技術(shù),ANSYS 軟件可以自動識別和導(dǎo)入I GES 三維實體數(shù)據(jù)格式,這樣,就把Pr o /E 中構(gòu)建的裝配線線體模型順利導(dǎo)入ANSYS 中,直接對其進(jìn)行有限元仿真分析。接下來利用ANSYS 軟件對構(gòu)建的裝配線線體模型在一定載荷作用下的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行有限元仿真分析。3ANSYS 有限元分

10、析3將Pr o /E 中構(gòu)建的具體裝配線線體的三維實體模型利用“I GES ”格式導(dǎo)入ANSYS 后,根據(jù)實際裝配線線體輸送零件中承受的載荷狀態(tài),對裝配線線體的應(yīng)力場進(jìn)行有限元仿真分析,確定裝配線線體的最大應(yīng)力值和位置,分析所設(shè)計的裝配線線體結(jié)構(gòu)參數(shù)及選用的材料是否滿足使用要求,并以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)裝配線線體的優(yōu)化設(shè)計。為了研究問題的方便和對計算機(jī)的性能要求,我們選擇了線體的一段進(jìn)行分析。其分析過程如下:(1單元類型的選擇確定有限元單元類型對有限元分析來說非常重要,單元類型的選擇不僅影響到網(wǎng)格的合理劃分,而且關(guān)鍵是對求解的精度影響很大?？紤]到裝配線線體的復(fù)雜程度、精度要求以及計算求解時間等實際因素

11、,采用Solid187為有限元網(wǎng)格單元。Solid187是空間實體單元,適用于曲線邊界的建模,具有塑性、蠕變、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形和大應(yīng)變功能。該單元有10個節(jié)點,每個節(jié)點有X 、Y 和Z 方向3個平動自由度。(2添加材料常數(shù)選用線體的材料為Q235鋼,彈性模量E =200000MPa;泊松比u =0.3。122007年第3期設(shè)計與研究(3劃分網(wǎng)格采用智能網(wǎng)格劃分工具“S martSize ”。S martSize 是ANSYS 提供的強(qiáng)大的自動網(wǎng)格劃分工具,使用S mart 2Size 有利于在網(wǎng)格生成的過程中生成形狀合理的單元如圖3所示 。圖3線體的網(wǎng)格劃分結(jié)果(4施加位移約束施加邊界約束條件

12、是有限元分析過程的重要一環(huán)。邊界條件是根據(jù)物理模型的實際工況在有限元分析模型邊界節(jié)點上施加的必要約束。邊界約束條件的準(zhǔn)確度直接影響有限元分析的結(jié)果。在有限元分析中確定邊界條件一般應(yīng)做到以下幾條:要施加足夠的約束,保證模型不產(chǎn)生剛體位移;施加的邊界條件必須符合物理模型的實際工況;力求簡單直觀,便于計算分析。本文對裝配線線體采取靜力分析,分別對X 、Y 、Z 三個方向上的平動和轉(zhuǎn)動自由度進(jìn)行約束。(5施加約束載荷考慮到工人在壓裝零件時的誤操作,為了模擬實際工況,對加載進(jìn)行了放大,即裝配零件重量的4倍,等于10000N 。該力加在小車面板上定位裝配零件處,垂直向下。(6求解及后處理ANSYS 提供了

13、2個后處理器:通用后處理器和時間歷程后處理器。本文對裝配線線體進(jìn)行的是靜態(tài)分析,采用通用后處理器對求解結(jié)果進(jìn)行后處理。通過應(yīng)力、應(yīng)變云圖的彩色分布,以不同顏色表示不同范圍的應(yīng)力值?？梢孕蜗笾庇^的觀察到裝配線線體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變分布情況。如圖4所示為所設(shè)計的裝配線線體在本文載荷作用下的應(yīng)力分布云圖。由該應(yīng)力云圖可以看出,裝配線線體承受的最大應(yīng)力為80.175MPa,位于小車面板上定位裝配零件處,這也是小車變形最大的部位。這與以往計算結(jié)果相吻合。查閱機(jī)械設(shè)計手冊4得Q235鋼的屈服極限為235MPa,所以最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于裝配線線體所選材料的許用應(yīng)力(235MPa 要求,說明設(shè)計合理。如果應(yīng)力的有限元仿

14、真結(jié)果表明裝配線線體的設(shè)計不合理,就需要對Pr o /E 中構(gòu)建的模型進(jìn)行修正 。圖4應(yīng)力應(yīng)分布云圖4結(jié)束語通過本文的研究可以得到以下結(jié)論。(1利用Pr o /E 軟件建立了裝配線線體的參數(shù)化設(shè)計模型,利用該模型可以創(chuàng)建不同參數(shù)的裝配線線體模型庫,方便裝配線線體設(shè)計人員的調(diào)用。(2利用Pr o /E 與ANSYS 的接口技術(shù),對設(shè)計的具體裝配線線體在一定載荷作用下的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了有限元仿真分析。分析結(jié)果表明,小車面板的裂紋是裝配線線體上小車損壞的主要失效形式,與實際情況相符。(3根據(jù)有限元仿真分析結(jié)果,可以對Pr o /E 中的物理模型的合理性進(jìn)行正確判斷,從而對物理模型的設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化,改正設(shè)計中的缺陷,縮短分析時間,提高設(shè)計