基于ANSYS Workbench的保持架柔性夹具的低速碰撞仿真

许海涛，顾文斌，王强

(河海大学机电学院，江苏 常州 213022)

基于ANSYS Workbench的保持架柔性夹具的低速碰撞仿真

许海涛，顾文斌，王强

(河海大学机电学院，江苏 常州 213022)

针对保持架滚珠装配机在实际工作中由于工作圆盘旋转精度低而导致柔性夹具受到冲击的危险，采用CAE技术下的ANSYS Workbench软件的分析功能对柔性夹具进行碰撞仿真分析，从应力应变分布图中判断其有较大的变形，通过结构优化设计提高其结构刚度。

保持架柔性夹具;碰撞仿真;ANSYS Workbench

汽车座椅是汽车的基本装置，在汽车中它将人体与车身联系在一起，直接关系到乘员的驾乘舒适性和安全性。保持架是汽车座椅导轨滑块中常用的部件，目前国内的装配工艺是工人先将滚珠放在工作台上，再将工件置于其上，用锤子轻轻敲击以完成装配。由于保持架为钣金件，形状不规则且规格多，大量劳动力的使用不仅会使生产成本提高，而且操作工长时间重复一个动作，非常容易疲劳，劳动率低下亦会影响产品的质量。

随着经济的发展，许多企业为了适应越来越激烈的市场竞争，把产品生产模式由单一品种、大批量改为多品种、中小批量。在产品的生产过程中，装配是关键的一道工序。柔性装配系统是通过计算机把产品制造过程中各工位的控制系统组合起来而形成的高效率、高柔性的装配系统［1］，它的技术基础是装配技术、机电技术、传感器技术以及机器人技术。为了适应柔性装配系统的硬件需求，设计了保持架柔性夹具。

本文以某新型滚珠装配系统中的保持架柔性夹具为研究对象，利用SolidWorks和ANSYS Workbench软件对保持架柔性夹具进行三维建模和低速碰撞过程模拟，并对模拟结果进行分析，给出优化方案。

1 柔性夹具简介

体现夹具柔性的结构由夹紧板、夹持滑块、套筒等部分组成。把位于夹具偏下位置的夹紧板固定在一个可调节的螺柱上，可以调节夹具以夹持不同长度的保持架;通过调节夹持滑块在燕尾槽中的位置以及可伸缩螺杆的长度，可以改变保持架平面的加工位置;同时夹持块部分采取外加套筒的方式，可以解决不同型号滚珠的装配以及装配深度的变化;设计防飞挡板主要是解决转盘工作时离心加速度对加工精度的影响。考虑到不同规格的工件尺寸不同，在设计保持架柔性夹具时设定其可夹持工件的尺寸范围为:宽30mm～50mm，长≤80mm，高≤30mm，并可根据实际需求更改。利用Solid Works建立的保持架柔性夹具模型如图1所示，保持架实物图如图2所示。

图1 保持架柔性夹具模型

2 保持架碰撞性能分析的理论基础

保持架碰撞过程属于冲击载荷变形和非线性动态接触的过程，一般持续0.1～0.2s，并将动能迅速转化为其他形式的能，例如应变能、热能、声能等［2-3］。碰撞分析遵循自然界的能量、动量守恒定律，建立含未知边界条件的偏微分方程如下:

图2 多型号保持架的实物图

能量守恒方程

式中:v为物体速度;Sij为偏应力张量;εij为应变率张量;p为压力;q为体积黏性阻力。

动量守恒方程

式中:m1，m2为物体质量;v1，v2为碰撞前速度;v10，v20为碰撞后速度。

3 带动荷系数的应力与变形求解法

3.1 解析法求解

式中:E为钢材的弹性系数;I为惯性矩。故求得

由于材料力学的公式是以细长杆件为基础的，并不适用于本文所研究的保持架夹具模型(图1)，而数值分析是建立在弹性力学基础上的，故有必要进行有限元数值分析［4］。

3.2 有限元数值模拟

为提高分析软件的工作效率和改善单元质量，在利用SolidWorks和ANSYS Workbench软件对保持架夹具进行参数化建模和仿真分析时，对保持架夹具作适当简化，在有限元模型中去除螺母与夹紧板的干扰。

3.2.1 设置材料属性

保持架夹具的材质为24号钢，其材料属性参数为:密度7 850kg/m3，泊松比0.3，弹性模量210GPa，屈服强度210MPa。手动将24号钢添加到ANSYS Workbench软件的材料库Engineering Data模块中，并通过Density/Include Property和Isotropic Elasticity/Include Property将材料的各属性参数添加到材料性能表中，即完成24号钢在软件中的添加。

3.2.2 网格划分

网格划分是将模型离散成单元和节点的过程。ANSYS Workbench有限元仿真系统默认选择Solid 187单元，其智能化程度很高，可以更好地模拟不规则的物体。在Element Size中设置单元大小为1mm，将保持架夹具模型划分为229 166个节点、97 739个单元，如图3所示。

图3 保持架夹具模型有限元网格划分

3.2.3 加载条件和后处理

使用ANSYS Workbench软件中的Static Structural模块进行静载荷处理，加载条件与解析法相同，约束面为4个螺栓柱。碰撞后的变形与应力云图如图4所示。

由图4可知，当装夹尺寸较小的工件时，伸出臂最长，此时螺杆危险点的最大等效应力接近400MPa，超过屈服强度210MPa，产生的最大等效塑性变形为0.216mm，应力、变形均很大。这种塑性变形已直接影响到滚珠的定位精度和冲压模块的装配精度，是加工过程中所不允许的，因此要增加夹具竖直方向上的刚度。

常规的结构优化方案是改变夹具局部的结构形式、增加轴的尺寸、设置加强筋或者加强板等［5］，对于本文所述夹具，一味地加大尺寸会造成夹具体积变大，生产成本增加，另外加强筋不仅会造成伸缩螺杆伸长方向上的尺寸抑制，而且会和夹紧板形成安装干涉。

基于以上分析，对夹具结构进行以下优化:

1)变底层可伸缩螺纹杆为光杆并加大光杆尺寸，同时导向杆承担主要动载荷。

2)上层螺纹杆设置在导向杆下面，与导向杆形成倒三角，起固定作用。

3)冲压头头部与弹簧刚性连接，作为静载荷处理，这样应力和变形将大大减小。

改进后的等效变形及应力如图5所示。

图4 等效变形和应力图

图5 优化后的等效变形和应力图

4 瞬态动力学分析

梁的碰撞过程符合碰撞理论，应用ANSYS Workbench软件的Transient Structural模块可进行梁的瞬态动力学分析。

4.1 初始设置

设置网格划分单元大小为1mm，主要校核面添加接触关系，处理时间单元initial time step为0.01s，minimum time step为0.01s，maximum time step为0.02s。fixed support设为螺栓的4个面，施加时间为0.1～0.5s、大小为250N的梯形载荷。

4.2 仿真后处理

由图5可知，优化后的模型受到的最大等效弹性形变为0.129mm，最大应力不到150MPa，与优化前相比大大减小了危险性。不同伸出臂长度其危险点的最大应力及最大位移，不同的算法所得的计算结果见表1。前两种计算方法是以静载动荷系数扩大法模拟冲击，能够一定程度上反映塑性破坏，而瞬态动力学模型法通过设置冲击力的施加时间和大小，能够较精准地反映低速碰撞。但现实工况中不仅仅包含单纯的冲击过程，冲压头还会有静力保持，而且力矩大小与电机本身参数有关，因而不同的计算方法可以在仿真时做相互补充。另外在相同的冲击加载条件下，瞬态冲击比静载冲击的破坏更大，若瞬态冲击获得的结果是安全的，则静载冲击获得的结果会更安全［6］。从表1可以看出，优化后的结构应力和变形都大大减小，结果令人满意。

表1 不同伸出臂长度的危险点的最大应力及位移

5 结束语

本文运用有限元软件ANSYS Workbench对保持架夹具进行建模和分析，并分别运用了动载转静载法、瞬态动力学法模拟了低速碰撞情况，得到了它的应力变形分布图，从而找出了原有设计结构存在的缺陷;通过对夹具模型进行优化，得到了较为理想的仿真结果。

在仿真过程中发现，数值模拟的仿真度具有局限性，比如外载荷以及约束的添加面并不精准，网格的自动划分可能会使结果并不收敛［7］，不能精确反映既有冲击又有静载的现实工况，有待以后进一步改进。

［1］纪海慧.ANASYS Workbench在卡扣装配分析中应用［J］.现代制造工程，2008(8):48-49，131.

［2］韩春晓，付芸.基于ANSYS Workbench的镜头跌落仿真分析研究［J］.长春大学学报，2013(2):149-151.

［3］包守忠.车辆碰撞事故仿真与再现研究［D］.成都:西南交通大学，2009.

［4］王娜，李洪刚.基于ANASYS Workbench的保险杠低速碰撞仿真［J］.大连交通大学学报，2013(2):54-56.

［5］武义凯，谢永利.沉管隧道的ANASYS三维有限元分析研究［J］.西安科技大学学报，2014(3):296-301.

［6］Santosa S P，Wierzbicki T.Crash behavior of box column filled with aluminum honeycomb or foam［J］.Computer and Structures，1998，69(3):343-368.

［7］郝伟，张洪，郝永福.有限元法在接触问题中的应用［J］.机械管理开发，2005(2):49-50.

The collision simulation of the flexible cage fixture at low speed based on ANSYS Workbench

XU Haitao，GU Wenbin，WANG Qiang
(College of Mechanical and Electrical Engineering，Hohai University，Jiangsu Changzhou，213022，China)

It establishes the model of flexible cage fixture of car seat parts，and defines the validity of the collision model.In order to avoid the hitting problem because of the table＇s inaccurate position in the real processing of cage ball assembling condition，it makes a collision simulation analysis based on ANASYS Workbench software. With the help of the deformation of the parts and the stress and strain distribution，it improves the structure and optimizes the structural rigidity.

flexible cage fixture;collision simulation;ANASYS Workbench

TH6

A

2095-509X(2015)07-0007-04

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.07.002

2015-06-16

许海涛(1992—)，男，江苏泗洪人，河海大学本科生，专业方向为机械工程专业钢结构。