UG有限元分析的攪拌槳數控加工優化

王世成

（廣東省湛江市特種設備檢驗所，廣東湛江524022）

攪拌槳的槳葉屬于薄翼懸臂結構，尤其是葉梢部分，為提高其工作時的軸流性能和效率，通常設計得很薄。不同于傳統手工劃線、鏟磨的加工方法，攪拌槳數控加工時，會因為受銑削力而發生撓曲變型，從而降低加工精度。一般的解決方法，就是通過減小切削深度來減小銑削力，以保證槳葉的加工精度。利用有限元分析的方法，可以確定槳葉的薄弱部位，并在變形大的位置加以支撐約束，在銑削力不變的前提下，保證槳葉的加工精度和加工效率，同時槳葉的薄翼懸臂結構，會在加工過程中造成很大切削振動，可進行模態分析，從而在加工時盡量避免主軸轉速與攪拌槳固有頻率發生共振。

1 UG中的有限元分析模塊介紹

UG軟件成為在中國最受用戶歡迎和普遍接受的三維參數化設計軟件，為中國制造業CAD技術的普及和提高，起到了積極顯著的作用。但就目前國內用戶而言，大多數設計者只使用UG軟件中的CAD和CAM模塊，對CAE模塊比較生疏，而國內關于UG的資料與書籍，對CAE也很少有介紹[1]。在計算機和CAD技術大力發展的當今時代，有限元分析方法在工程設計和分析中，將得到越來越廣泛的重視。有限元分析軟件與CAD系統的集成應用，使設計水平發生了質的飛躍。它能增加產品和工程的可靠性，得到許多常規計算無法得出的分析數據，在產品制造或工程施工前，即可預先發現潛在的問題。UG-NX2版本于2003年底推向市場[2]。它的有限元分析模塊是1個集成的CAE工具，可以直接將CAD模塊中建立的幾何模型轉換成有限元分析模型，并可以進行多種比較精確表現真實的產品設計方案。在分析的后置處理結果中，能準確直觀地得到其各部位的位移、應力應變等參數的分布情況。在UG有限元分析模塊中，共集成了4種有限元求解器StructuresP.E.，NASTRAN，ANSYS，ABAQUS。這種集成為 UG 提供一個完整的建模和分析環境，同時還提供了大量不同類型的解決方案，包括線性靜力分析、普通建模、線性振動、間隙配合和穩態熱傳導，其支持的材料類型，包括各向同性、橫觀各向異性和各向異性以及不考慮溫度影響的材料。用戶可以根據需要，選取不同的求解器和對應的分析模式[3]。

2 基于UG有限元分析的攪拌槳數控加工優化

（1）前處理。在加工過程中，葉片的變形將直接影響加工精度。由于葉片結構的特殊性，導致加工過程中葉片處于懸臂狀態，加上葉片的形狀為薄壁，因此變形很大，由銑削力引起的變形，將顯著影響加工精度。攪拌槳模型如圖1，切削力P=1 000 N。攪拌槳直徑為Φ1 300 mm。

圖1 攪拌槳實體模型

（2）攪拌槳加工狀態下無支撐約束的線性靜態分析。約束、載荷、及網格的劃分如圖2，分析結果如圖3。由分析結果可知，槳葉的變形情況從葉根到葉梢逐漸變大，在接近葉梢位置變形最大。可見在攪拌槳數控加工時，由于葉片結構的特殊性，導致加工過程中葉片處于懸臂狀態，加上葉片的形狀為薄壁，因此變形很大，極大地影響加工精度。由此分析可得到，在攪拌槳數控加工時，應在葉片下方加以合理位置的輔助支撐約束。

圖2 網格劃分

圖3 無支撐下攪拌槳變形結果

（3）攪拌槳加工狀態下有支撐約束的線性靜態分析。由上述分析的結果，可知攪拌槳的薄弱部位。由此在攪拌槳葉下方添加約束如圖4，分析結果如圖5。由圖5可直觀地分析出，有輔助支撐的槳葉比沒有輔助支撐的槳葉，在受銑削力影響下的變形要小得多。這樣得出結論，通過對無支撐狀態下攪拌槳數控加工的有限元分析，可分析出攪拌槳變形嚴重的部位，在銑削力不變的前提下，通過在變形大的位置加以輔助支撐約束，即可有效地減小攪拌槳槳葉的變形，從而提高攪拌槳的加工精度和效率，達到加工優化的目的。

圖4 添加支撐約束

圖5 有支撐狀態下的攪拌槳變形結果

（4）攪拌槳加工狀態下的動態分析。槳葉的薄翼、懸臂結構，會在加工時造成很大切削振動，利用UG結構分析模塊對攪拌槳進行模態分析，可分析出攪拌槳的五階固有頻率，從而通過公式n=60×fi/2 (r/min)計算出與攪拌槳的固有頻率發生共振時的5個主軸轉速，在加工時要避免選擇這些轉速，以免刀具與攪拌槳槳葉發生共振，影響加工精度。表1列出了攪拌槳五階固有頻率和加工時應避免的主軸轉速參考表。攪拌槳五階振型如圖6～10。其中1階、4階為槳葉的上下彎曲振型，2階、3階分別為兩對稱槳葉的主振動，5階為扭振。

表1 主軸轉速參考表

圖6 1階振型

圖7 2階振型

圖8 3階振型

圖9 4階振型

圖10 5階振型

4 結束語

利用UG軟件集成的結構分析模塊，對攪拌槳進行其加工時的受力變形分析和模態分析，并采取相應技術措施，可以提高攪拌槳的加工精度和加工效率。同時對其他需要保證加工精度的同類結構產品的機械加工，具有一定的參考價值。

[1]馬秋成，韓利芬，等.UG-CAE篇[M].北京：機械工業出版社，2002.

[2]周 波，許明恒.基于UG NX2的振動實驗臺有限元分析[J].機械研究與應用，2004，17（12）：97-98.

[3]高 平.基于UG的閥門CAD/CAE系統[J].北京機械工業學院學報，2006，21(1)：39-42.