基于ANSYS的机床夹具的静动态特性分析

费 非 张 锐

(1.吉林省吉林市第二人民医院放疗科，吉林132002；2.兰州理工大学机电工程学院，甘肃730050)

基于ANSYS的机床夹具的静动态特性分析

费 非1张 锐2

(1.吉林省吉林市第二人民医院放疗科，吉林132002；2.兰州理工大学机电工程学院，甘肃730050)

机床夹具对机械零件的加工精度与质量有着非常重要的影响，夹具静动态特性的好坏直接反应了所设计夹具的性能。为了确定机床夹具各部分设计的合理性，利用Pro/E软件建立其三维模型，导入有限元分析软件ANSYS中，对其进行静动态特性分析，找出设计的薄弱环节，提出相应改进意见，进而为夹具设计的后续优化奠定基础。

夹具；有限元；动静态特性分析

机床夹具是机械制造中一项非常重要的工艺装备，也是机械加工工艺系统的一个重要组成部分[1]。对于机械制造企业，提高夹具设计效率和质量，对于缩短生产周期、降低生产成本，提高企业的竞争力具有至关重要的作用[2]。

如何判断一款已设计的机床夹具的好坏一直是设计者关心的话题。传统的设计方法周期太长，已不能满足现在设计的要求。如今各种强大的计算机软件已为设计带来了便利。本文以汽车变速箱输出轴轴头双面铣钻组合机床的专用夹具为例，对其进行特性分析。首先利用Pro/E三维软件建立夹具的实体模型，然后利用ANSYS Workbench进行有限元分析，得到其静态特性变形图和前6阶振型模态特性图。通过分析结果可找出原设计中结构的薄弱环节，作为进一步改进的依据[3]。

1 夹具实体模型的建立

对夹具进行实体建模是进行有限元分析的第一步，本文中的夹具模型主要包括起支撑作用的夹具体﹑提供压紧动力源的液压传动装置﹑传力机构齿轮齿条﹑直接与工件接触的夹紧元件压板压块以及其他零件。然后将各个零件按着相应的约束进行装配，组成装配图。但这并不能保证装配的正确性，还必须对装配好的实体进行运动仿真，观察装配体的干涉情况。当检测到没有干涉问题时，夹具的实体模型才建立完毕。夹具的实体模型如图1所示。

2 夹具的有限元模型的建立

2.1 夹具实体模型导入ANSYS Workbench

当夹具实体模型建立完成后，就可以导入到有限元软件ANSYS Workbench中进行特性分析。为了节省分析时间，提高计算效率，在导入之前可以对建立的实体模型进行简化，去掉一些对整体结构刚度影响较小的结构，例如倒角、圆角、螺纹孔、小直径孔等[4]。一般有两种导入方法：(1)建立Pro/E与ANSYS的无缝连接，从而实现Pro/E与ANSYS的数据共享和交换。在Pro/E窗口中直接点击ANSYS下的ANSYS Workbench按钮，就可将建好的模型导入ANSYS Workbench中。(2)将Pro/E中的模型以实体的形式保存为SAT、IGS/IGES、x_t/x_b、Stp/Step等格式，然后在ANSYS Workbench中打开。本文采用第二种方法。

图1 夹具的实体模型Figure 1 Solid model of fixture

2.2 添加模型材料属性

材料为结构钢：弹性模量E=200 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3。

2.3 划分网格

网格的疏密程度直接影响到计算结果的精度，计算结果不再随网格的加密而改变的密度为理想的网格密度，但是网格加密会增加计算机CPU的计算时间并且需要很大的存储空间。结合实验计算机的性能，本文中应用尺寸控制方法通过设置Element Size的参数进行网格划分。共划分了151 103个节点，83 195个单元。划分网格后的夹具模型如图2所示。

图2 划分网格后的夹具模型Figure 2 The fixture model after meshing

3 夹具模型的静态分析

静态分析是计算不包括惯性和阻尼效应的载荷在结构或部件上引起的位移、应力、应变等[5]。前面已经对导入ANSYS Workbench中的模型进行了材料属性的设置以及网格划分，下一步就要对夹具模型施加边界约束和载荷。施加约束和载荷时，应尽量按照实际工况进行，这样才能保证计算结果更准确。

根据实际工况需对夹具体下表面施加固定约束，限定其各个方向的自由度，对四个传力的杆施加位移约束，限制其Y轴和Z轴方向的自由度。然后对模型施加载荷约束，在实际工况中，夹具的压板对工件施加两种力：一是对工件在铣削时产生的夹紧力，另一种是对工件在钻削时产生的夹紧力。工况中工件是轴类零件，根据夹具夹紧力计算公式[6]计算出钻削时和铣削时的夹紧力，并比较两者的大小，得出钻削时压板产生的夹紧力比铣削时压板产生的夹紧力大，故而按照钻削时压板产生的夹紧力在压板的压头上施加载荷。分配到每个压头上的夹紧力为4742 N，方向垂直于压头。最后对设置好约束及载荷的模型进行静力学求解，得到其总变形分析云图，如图3所示。

图3 夹具模型的总变形分析云图Figure 3 Analysis nephogram of total deformation of fixture model

从夹具模型静态分析的总变形云图中可以清楚地看到：在不考虑惯性和阻尼效应的情况下，对夹具只施加压紧力，夹具变形最大的位置在四个压板处。因此，这就为设计人员在设计时提供了参考的依据，要注重对于夹具四个压板及压头的改进，从而确保整个设计的合理性。

4 夹具模型的模态分析

模态分析是计算结构振动特性的数值技术，结构振动特性包括固有频率和振型。模态分析是最基本的动力学分析，也是其他动力学分析的基础，如响应谱分析、随机振动分析、谐响应分析等都需要在模态分析的基础上进行。

(a)一阶振型(b)二阶振型(c)三阶振型(d)四阶振型(e)五阶振型(f)六阶振型

表1 夹具固有频率Table 1 Natural frequency of fixture

模态分析虽然是最简单的动力学分析，但却有着非常实用的价值，模态分析可以帮助设计人员确定结构的固有频率和振型[7]，从而使结构设计避免共振。

本文对夹具体的下表面进行固定约束，材料的属性与静态分析相同。由于低阶固有振型对动态特性起决定作用，故取前6阶模态进行分析。获得夹具的固有频率(如表1所示)以及6阶振型图，如图4所示。

从夹具6阶振型图中可以得到如下信息：

(1)一阶振型最大变形主要在后方的压块和压板处，压块和压板沿着X轴正方向发生弯曲振动。

(2)二阶振型的最大变形仍是在后方的压块和压板处，压块和压板沿着Y轴正方向发生弯曲振动。

(3)三阶振型的最大变形主要在前方的压块和压板处，压块和压板沿着Y轴正方向发生弯曲振动。

(4)四阶振型的最大变形也是发生在前方的压块和压板处，压块和压板沿着X轴正方向发生弯曲振动。

(5)五阶振型的最大变形发生在模型右半部分的缸体处，缸体整体沿着Y轴正方向发生弯曲振动，与缸体接触的夹具体也发生轻微的变形。

(6)六阶振型的最大变形同样发生在夹具模型的右半部分的缸体处，缸体沿着Z轴正方向发生弯曲振动，与缸体接触的夹具体以及与夹具体主体接触的两个压板发生轻微的振动变形。

从以上的6阶振型图中可以看出，在低阶固有频率下，前后两个压块和压板变形较大，随着固有频率的增加，变形主要集中在夹具模型的缸体部分。在6阶振型中夹具体主体的变形较小，说明夹具体主体具有良好的刚度。根据对夹具的静动态特性分析，在以后的设计中需对压板压块及缸体进行相应改进。

5 结论

利用有限元分析软件ANSYS Workbench对夹具进行三维模型的特性分析，得出了夹具的静态变形图以及6阶固有频率和振型图，找出了夹具设计中的薄弱环节，为下一步的优化设计指明了方向。针对分析的结果，提出以下改进方案。

从一至四阶振型图可以看出，前后两个压板压块的变形不是同步的，这说明在设计的过程中两者的受力分布不同，而在设计图中也可以看出支撑两压板压块的夹具体并不是对称的，这有可能影响力的分布，所以要改进夹具体，使其对称。另外，利用ANSYS Workbench的优化设计版块对前后压板压块进行优化，计算出两压板压块的厚度、长度、宽度以及与其接触的杆的直径，从而减小在低阶频率下压板压块的变形情况。

在固有频率增高的情况下夹具模型的缸体也发生了变形，在不影响夹具整体工作性能的情况下，可减小缸体的体积，这也可以利用ANSYS Workbench的优化设计版块进行计算。在后续的优化过程中仍需要对改进后的模型进行有限元分析，使设计达到最优化。

[1] 赵建平，汪永超，夏吉兵，等．面向绿色制造的机床夹具优化选择研究[J]．组合机床与自动化加工技术，2013(12)：126-129．

[2] 张胜文，苏延浩．计算机辅助夹具设计技术发展综述[J]．制造技术与机床，2015(4)：50-55．

[3] 李煜．针对机械制造装备的有限元静、动态分析及结构优化[D]．天津：天津大学，2013．

[4] 孙小文，刘斌．模具电极用夹具的模态分析及结构优化设计[J]．模具工业，2013，39(8)：67-72．

[5] 王永．铣钻夹具三维造型及构件有限元分析[D]．济南：山东大学，2012．

[6] 吴拓．现代机床夹具设计[M]．北京：化学工业出版社，2008：106-111．

[7] 孙晓洁，陈俊，王安柱，等．大型振动台夹具的模态分析及结构改进[J]．苏州大学学报(工科版)，2011，31(5)：56-59

编辑 李韦萤

Analysis on the Static and Dynamic Characteristics of Machine Tool Fixture Based on ANSYS

Fei Fei,Zhang Rui

Machine tool fixture has a very important influence on the machining precision and quality of mechanical parts,and the static and dynamic characteristics of the fixture directly reflect the performance of the designed fixture.In order to determine the design rationality of the various parts of machine tool fixture,Pro/E software is used to build its three-dimensional model,and it is led in the finite element analysis software ANSYS to analyze the static and dynamic characteristics.The weaknesses of the design are found out and the corresponding improvement suggestions are put forward.And the foundation is laid for the subsequent optimization of fixture design.

fixture; finite element; analysis of dynamic and static characteristics

2016—10—27

费非(1987—)，男，硕士研究生，助理工程师，主要从事医疗器械优化设计工作； 张锐(1986—)，女，硕士研究生，主要从事机床精度误差分析工作。

TH164

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