UG有限元分析的搅拌桨数控加工优化

2010-02-26王世成

装备制造技术 2010年2期

王世成

（广东省湛江市特种设备检验所，广东湛江524022）

搅拌桨的桨叶属于薄翼悬臂结构，尤其是叶梢部分，为提高其工作时的轴流性能和效率，通常设计得很薄。不同于传统手工划线、铲磨的加工方法，搅拌桨数控加工时，会因为受铣削力而发生挠曲变型，从而降低加工精度。一般的解决方法，就是通过减小切削深度来减小铣削力，以保证桨叶的加工精度。利用有限元分析的方法，可以确定桨叶的薄弱部位，并在变形大的位置加以支撑约束，在铣削力不变的前提下，保证桨叶的加工精度和加工效率，同时桨叶的薄翼悬臂结构，会在加工过程中造成很大切削振动，可进行模态分析，从而在加工时尽量避免主轴转速与搅拌桨固有频率发生共振。

1 UG中的有限元分析模块介绍

UG软件成为在中国最受用户欢迎和普遍接受的三维参数化设计软件，为中国制造业CAD技术的普及和提高，起到了积极显著的作用。但就目前国内用户而言，大多数设计者只使用UG软件中的CAD和CAM模块，对CAE模块比较生疏，而国内关于UG的资料与书籍，对CAE也很少有介绍[1]。在计算机和CAD技术大力发展的当今时代，有限元分析方法在工程设计和分析中，将得到越来越广泛的重视。有限元分析软件与CAD系统的集成应用，使设计水平发生了质的飞跃。它能增加产品和工程的可靠性，得到许多常规计算无法得出的分析数据，在产品制造或工程施工前，即可预先发现潜在的问题。UG-NX2版本于2003年底推向市场[2]。它的有限元分析模块是1个集成的CAE工具，可以直接将CAD模块中建立的几何模型转换成有限元分析模型，并可以进行多种比较精确表现真实的产品设计方案。在分析的后置处理结果中，能准确直观地得到其各部位的位移、应力应变等参数的分布情况。在UG有限元分析模块中，共集成了4种有限元求解器StructuresP.E.，NASTRAN，ANSYS，ABAQUS。这种集成为 UG 提供一个完整的建模和分析环境，同时还提供了大量不同类型的解决方案，包括线性静力分析、普通建模、线性振动、间隙配合和稳态热传导，其支持的材料类型，包括各向同性、横观各向异性和各向异性以及不考虑温度影响的材料。用户可以根据需要，选取不同的求解器和对应的分析模式[3]。

2 基于UG有限元分析的搅拌桨数控加工优化

（1）前处理。在加工过程中，叶片的变形将直接影响加工精度。由于叶片结构的特殊性，导致加工过程中叶片处于悬臂状态，加上叶片的形状为薄壁，因此变形很大，由铣削力引起的变形，将显著影响加工精度。搅拌桨模型如图1，切削力P=1 000 N。搅拌桨直径为Φ1 300 mm。

图1 搅拌桨实体模型

（2）搅拌桨加工状态下无支撑约束的线性静态分析。约束、载荷、及网格的划分如图2，分析结果如图3。由分析结果可知，桨叶的变形情况从叶根到叶梢逐渐变大，在接近叶梢位置变形最大。可见在搅拌桨数控加工时，由于叶片结构的特殊性，导致加工过程中叶片处于悬臂状态，加上叶片的形状为薄壁，因此变形很大，极大地影响加工精度。由此分析可得到，在搅拌桨数控加工时，应在叶片下方加以合理位置的辅助支撑约束。

图2 网格划分

图3 无支撑下搅拌桨变形结果

（3）搅拌桨加工状态下有支撑约束的线性静态分析。由上述分析的结果，可知搅拌桨的薄弱部位。由此在搅拌桨叶下方添加约束如图4，分析结果如图5。由图5可直观地分析出，有辅助支撑的桨叶比没有辅助支撑的桨叶，在受铣削力影响下的变形要小得多。这样得出结论，通过对无支撑状态下搅拌桨数控加工的有限元分析，可分析出搅拌桨变形严重的部位，在铣削力不变的前提下，通过在变形大的位置加以辅助支撑约束，即可有效地减小搅拌桨桨叶的变形，从而提高搅拌桨的加工精度和效率，达到加工优化的目的。

图4 添加支撑约束

图5 有支撑状态下的搅拌桨变形结果

（4）搅拌桨加工状态下的动态分析。桨叶的薄翼、悬臂结构，会在加工时造成很大切削振动，利用UG结构分析模块对搅拌桨进行模态分析，可分析出搅拌桨的五阶固有频率，从而通过公式n=60×fi/2 (r/min)计算出与搅拌桨的固有频率发生共振时的5个主轴转速，在加工时要避免选择这些转速，以免刀具与搅拌桨桨叶发生共振，影响加工精度。表1列出了搅拌桨五阶固有频率和加工时应避免的主轴转速参考表。搅拌桨五阶振型如图6～10。其中1阶、4阶为桨叶的上下弯曲振型，2阶、3阶分别为两对称桨叶的主振动，5阶为扭振。