公差分析(高級)（課堂PPT）

1、Cetol 6 + OPTIMUS + ANSYS聯(lián)合仿真- 考慮公差的裝配件結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析- 變形體零件公差優(yōu)化設(shè)計 2006 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.2靜力分析的現(xiàn)狀和問題為了保證產(chǎn)品的品質(zhì)和性能在現(xiàn)代設(shè)計過程中大量采用有限元分析手段，對產(chǎn)品進行驗證。這些驗證的過程大多基于CAD模型來進行。然而，CAD模型是理想的設(shè)計模型，是沒有考慮實際變形的理想形狀。CAD模型結(jié)構(gòu)分析基于CAD的結(jié)構(gòu)分析 2006 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.3基于CAD分析的問題但是，在實

2、際的生產(chǎn)裝配過程中，不可能忽略各種各樣的變形。顯然如果在分析過程中只考慮理想狀況是不完善的，甚至?xí)?dǎo)致產(chǎn)品的性能問題。在自重作用下空的位置偏移裝配誤差引起的偏移制造和安裝公差導(dǎo)致的偏移和變形 2006 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.4理想的約束理想狀態(tài)約束在各種制造，裝配引起的變形情況中，要數(shù)過約束問題對結(jié)構(gòu)的受力情況影響最大，本實例針對過約束的情況進行講解。下圖表示了理想的約束狀態(tài)。對圖示的3個螺釘孔進行約束 X平動(X1方向固定)，Y平動（Y1方向固定），Z平動（Z1方向固定） X軸轉(zhuǎn)動（Z1和Z3固定），Y軸轉(zhuǎn)動（Z1和Z2固

3、定），Z軸轉(zhuǎn)動（X1和X3固定）如果采用上述固定形式，在固定位置處不會因為制造和組裝的變形而產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變。 2006 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.5過約束理想狀態(tài)約束但是在現(xiàn)實中，約束點要多得多，在約束的地方會發(fā)生過約束的情況（如下圖）。這種過約束會引起結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力。產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變 2006 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.6傳統(tǒng)設(shè)計過程對現(xiàn)有公差分析的改進提案 1 改進提案基于CAD模型的結(jié)構(gòu)分析，對設(shè)計進行驗證試樣或者量產(chǎn)因制造和組裝而發(fā)生變形問題返回給設(shè)計人員由于

4、重新設(shè)計和再次加工帶來了成本的增加通過公差分析確定變形變形量傳遞給結(jié)構(gòu)分析工具公差改進意見考慮變形的結(jié)構(gòu)強度通過引入制造和裝配引起的偏差變形進行結(jié)構(gòu)分析，并自動修改設(shè)計的公差，從而減少人工修改的次數(shù)再加工調(diào)整 2006 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.7案例詳述 1在組裝汽車尾燈的時候，由于制造誤差，安裝孔和安裝面之間會發(fā)生偏差。并且，4個固定點采用同樣的約束方式，不可避免會產(chǎn)生過約束?；谝陨现T多因素，尾燈的安裝件上會產(chǎn)生安裝應(yīng)力?！灸康摹繉ξ矡袅慵系囊幌盗泄钸M行調(diào)整優(yōu)化，使得尾燈的應(yīng)力水平保持在較低范圍內(nèi)【分析流程】CETOL

5、 輸入：安裝點的公差值（尺寸公差或者是位置度） 輸出：相對于基準(zhǔn)孔，其他孔和安裝面的高度差A(yù)NSYS 輸入：CETOL計算出的高度差變成強制位移載荷 輸出：安全系數(shù)OPTIMUS 以ANSYS的安全系數(shù)1.2為目標(biāo)，優(yōu)化各個公差基準(zhǔn)孔固定點2固定點4固定點3偏差偏差固定點位置 2006 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.8初始設(shè)計驗證n用CETOL對初始設(shè)計的公差進行安裝位置偏差分析 通過分析得到的結(jié)果，初步設(shè)定優(yōu)化流程中的各個參數(shù)ANSYS輸入： = 在上一頁中的固定點3,4的Z方向（相對于基準(zhǔn)面的高度差）和其他的測定參數(shù)相比很大，所

6、以把這兩個高度差作為ANSYS的強制位移條件。設(shè)計參數(shù)：通過CETOL的相關(guān)度分析結(jié)果，選擇固定點3,4的高度方向的公差作為設(shè)計參數(shù)。目標(biāo)函數(shù)：=ANSYS的結(jié)構(gòu)分析安全系數(shù)固定點3的Z方向偏差與公差的相關(guān)度(%)固定點4的Z方向偏差與公差的相關(guān)度(%)名稱相關(guān)度名稱相關(guān)度位置度固定點3的公差位置度固定點4的公差 2006 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.9OPTIMUS工作流【優(yōu)化過程】向CETOL輸入文件寫入設(shè)計參數(shù)2個固定點的位置度和公差作為設(shè)計參數(shù)向CETOL的輸出文件寫結(jié)果去除CETOL結(jié)果中固定點的偏差將固定點的標(biāo)準(zhǔn)偏差的

7、3被作為強制位移把強制位移寫入ANSYS的輸入文件讀取ANSYS的計算結(jié)果最小安全系數(shù)進行CETOL公差計算進行ANSYS結(jié)構(gòu)計算偏差 2006 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.10優(yōu)化過程當(dāng)前的產(chǎn)品CAD模型，為了真實反應(yīng)形狀特性，往往模型的規(guī)模越來越大，在反復(fù)迭代的優(yōu)化過程中，會導(dǎo)致計算量的增加。采用有效的手段來控制計算成本也是當(dāng)前的一個課題。以下是本例題的計算過程，并說明了如何有效地進行優(yōu)化。STEP1采用二階全因子法進行實驗設(shè)計，并獲得響應(yīng)面STEP2在上一步獲得的響應(yīng)面上進行非線性序列二次規(guī)劃尋優(yōu)（NLPQL）STEP3以第

8、二步的初步優(yōu)化結(jié)果為起點，在求解器上進行進去尋優(yōu)（NLPQL） 2006 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.11優(yōu)化結(jié)果這是利用響應(yīng)面的優(yōu)化結(jié)果作為初始值，再次進行優(yōu)化后得到的最優(yōu)結(jié)果把安全系數(shù)1.2設(shè)為目標(biāo)值進行優(yōu)化這是初始設(shè)計參數(shù)和優(yōu)化后的設(shè)計參數(shù)的對比 位置度: 0.02 = 0.01002 固定點3的尺寸公差：0.5 = 0.31533 固定點4的尺寸公差：0.5 = 0.31927利用這個過程，我們就可以考慮轉(zhuǎn)配帶來的偏差和過約束導(dǎo)致的應(yīng)力，并且把零件的安全系數(shù)保持在1.2的水平，同時可以得到相應(yīng)的公差配置。 2006 CYB

9、ERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.12傳統(tǒng)設(shè)計過程對現(xiàn)有公差分析的改進提案 2 改進提案基于CAD模型的結(jié)構(gòu)分析，對設(shè)計進行驗證試樣或者量產(chǎn)因制造和組裝而發(fā)生變形問題返回給設(shè)計人員由于重新設(shè)計和再次加工帶來了成本的增加通過引入制造和裝配引起的偏差變形進行結(jié)構(gòu)分析，并自動修改設(shè)計的公差，從而減少人工修改的次數(shù)再加工調(diào)整結(jié)構(gòu)分析形狀更新公差分析改進公差 2006 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.13案例詳述 2在第11中的結(jié)果，是滿足結(jié)構(gòu)強度的固定點的公差配置。但這在實際當(dāng)中是不夠的，尾

10、燈的裝配不僅要考慮結(jié)構(gòu)強度，還要考慮尾燈之間的安裝品質(zhì)，比如尾燈和角燈之間的間隙，如下圖，是基于CAD的CETOL分析間隙尺寸。通過CAD測定的偏差角燈尾燈這時候，沒有什么產(chǎn)品質(zhì)量上的大問題，不過因為過約束產(chǎn)生的變形，尾燈和角燈之間的間隙名義值發(fā)生了變化。因此，我們需要對這個間隙再次進行優(yōu)化調(diào)整，使之處于允許的涉及范圍內(nèi)。 2006 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.14考慮變形的公差分析【分析流程】n ANSYS 在固定點處施加強制位移，進行有限元分析得到零件的變形，并把變形輸出為Parasolid格式。n CETOL 用CAD工具讀

11、入ANSYS輸出的Parasolid文件，添加必要的公差設(shè)定，進行公差分析，并選擇要改進的公差作為參數(shù)。n OPTIMUS 修改公差參數(shù)，使得間隙的偏差保持在3內(nèi)，以此為目標(biāo)進行優(yōu)化 2006 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.15初始方案研究n 用CETOL對變形的零件間隙進行偏差計算 下圖是對變形后的零件的公差分析結(jié)果，可見，偏差導(dǎo)致了名義值的改變，從而加大了次品率的發(fā)生。 在進行優(yōu)化設(shè)計之前，我們參考CETOL的Analyzer中貢獻度表，對尺寸進行修改， 使偏差的名義值符合設(shè)計的要求。變形零件的公差分析結(jié)果基于貢獻度來修正尺寸本

12、實例中，我們修改尾燈的端面尺寸，使得偏差的名義值和設(shè)計的中值相一致。在CETOL中修正后的尺寸 2006 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.16OPTIMUS優(yōu)化流程n 在OPTIMUS中進行公差優(yōu)化 基于修正好的偏差名義值，次品率的情況得到大大改善。但是偏差的方差=2.63和目標(biāo)3有距離，所以還需要對其進行修改。 這里，基于貢獻度的大小，我們選擇上部的4個連接點（兩個夾具銷，尾燈固定銷，角燈固定銷）的位置度作為設(shè)計修改參數(shù)，以偏差的方差為3作為目標(biāo)進行優(yōu)化向CETOL輸入文件寫入設(shè)計參數(shù)向CETOL的輸出文件寫結(jié)果進行CETOL公差計算【優(yōu)化過程】間隙的方差4個位置度參數(shù) 2006 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.17優(yōu)化結(jié)果n NLPQL優(yōu)化以間隙偏差達到3為目標(biāo)根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)果，4個地方的位置度全部修改為0.37。這樣，尾燈和角燈之間的間隙就可以滿足3的設(shè)計要求。 2006 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.18 總 結(jié)n 在實際的制造和組裝過程中，采用本方案可以避免CAD理想模型的不足，充分考慮實際過程中的公差影響