基于UG工裝設計中的有限元驗證與分析

張斌

摘 要：通過實例，分析工裝設計中的常見問題，充分發揮軟件特點，引入主流技術UG有限元對其進行驗證、分析并提供直觀的數據作為依據，用于解決實際問題，借此提高分析問題、解決問題的能力。

關鍵詞：工裝設計 UG有限元 受力分析

中圖分類號：N945.13 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（b）-0066-02

1 UG簡介

UG是Unigraphics的縮寫，是集計算機輔助設計、計算機輔助制造、計算機輔助分析功能于一體的軟件集成系統。在中國，它得到了越來越廣泛的應用，已成為我國工業界主要使用的大型CAD/CAE/CAM軟件之一。

Unigraphics適于完整的產品工程。使公司能夠在同一集成的數字化環境中去模擬、驗證產品和他們的生產過程。如今制造業所面臨的挑戰是，通過產品開發的技術創新，在持續的成本縮減以及收入和利潤的逐漸增加的要求之間取得平衡。為了真正地支持革新，必須評審更多的可選設計方案，而且在開發過程中必須根據以往經驗中所獲得的知識更早地做出關鍵性的決策。

主要功能為以下幾種。

1.1 產品設計

UG為那些培養創造性和產品技術革新的工業設計和風格提供了強有力的解決方案。UG包括了世界上最強大、最廣泛的產品設計應用模塊。工業設計師能夠迅速地建立和改進復雜的產品形狀。UG具有高性能的機械設計和制圖功能，為制造設計提供了高性能和靈活性，以滿足客戶設計任何復雜產品的需要。

1.2 仿真、確認和優化

UG允許制造商以數字化的方式仿真、確認和優化產品及其開發過程。通過在開發周期中較早地運用數字化仿真性能，制造商可以改善產品質量，同時減少或消除對于物理樣機的昂貴耗時的設計、構建，以及對變更周期的依賴。

2 工裝設計中的問題

合格工裝的設計，不僅僅是把工裝設計出來、制作出來那么簡單；而是還要經過不斷的試驗，總結，改進，然后才能正式應用于生產。這其中及時的發現問題和解決問題尤為重要。下面通過一次典型的工裝設計，來予以闡述。

某產品是一個液壓雙缸體零件，如圖1所示，特點是產品雙缸孔所在面及孔徑要求精度高，面粗糙度要求在Ra1.6以內，孔徑公差要求在0.02 mm以內，而且壁薄。因此，工裝設計的合理性尤為重要。

工裝設計中，定位點和壓緊點選擇是非常重要的，在加工此雙缸體液壓零件某一序的時候，以法蘭端面、子口外徑與一個小孔定位，加工雙缸孔所在面、鏜雙缸孔與面上所有小孔。

壓緊點選擇法蘭盤背面的三點作為主要壓緊點。考慮加工遠端銑面和鏜孔時可能會有震刀產生而影響產品質量，所以在遠端面加上一個輔助頂緊裝置。如圖2所示。

考慮操作原因，工裝整體采用液壓壓緊方式，工件通過子口插入定位環中，以其中一個小孔定角向，定位環固定在定位座上，定位座固定在底板上，三個液壓轉角缸壓緊法蘭盤背后的三點。

另一端采用一個座在缸座上的直進缸推動壓緊盤作為輔助頂緊裝置。

為了使直進缸壓緊力可調，備用一個減壓閥。

看似合理的設計在實際的驗證過程中仍然遇到了一個難以克服的問題，問題出現在雙缸孔遠端的那個孔的底部，總是莫名的產生橢圓的現象，考慮是輔助的直進缸壓力過大，而加上備用的減壓閥后，將減壓閥調整到最小5 kgf仍然會產生少量變形，難道還是壓力過大？但已經是減壓閥調整極限了，而且低于5 kgf還會起到什么作用很難判斷，應該使用多大的壓力才合適，還是這種設計方法根本就是錯的。

如果通過力學方法去一步步的計算，對于這么復雜形體的零件幾乎是不可能的。于是考慮用UG來解決。

3 UG有限元分析

進入了UG，在UG界面將工件實體模型打開，點擊“開始”，進入UG高級仿真模塊，在仿真導航器中選擇模型，并“新建FEM和仿真”和“創建解算方案”。

在新建的FEM中設置有限元模型的材料屬性，將材料設置為“steel”；置有限元模型的網格屬性，將網格屬性設置為“3D四面體網格”。根據實際情況設置網格大小，選擇仿真導航器，進入仿真模型界面，對模型選擇“約束類型”，選擇“固定約束”，選擇工件法蘭盤端面即定位面；選擇“載荷類型”，選擇“壓力”，選擇工件的輔助壓緊面。如圖3所示。

以簡化問題的原則，忽略子口與小孔定位的設定等不相關因素。

在“壓力”菜單欄內將壓力單位設置為N/cm2，這是為了保持與液壓缸的壓力單位kgf/cm2統一，便于分析，首先將壓力值設置為9.8，即為1 kgf的大小。點擊“解算”，在仿真導航器中查看“結果”選項，選擇“位移—節點”觀察有限元模型的變形情況圖及數值。如圖4、圖5所示。

從圖中可清晰發現，變形最嚴重的畫圈區域恰恰就是實際加工中變形的區域，在施加1 kgf的時候，由圖4可知最大變形量為1.432μm。半剖變形視圖如圖6所示。

再將“壓力”菜單欄內的壓力值重新設置為98，重新點擊“解算”，在仿真導航器中查看“結果”選項，選擇“位移—節點”觀察有限元模型的變形情況圖及數值。如圖7、圖8所示。

圖中顯示，同樣的畫圈區域在施加10 kgf的時候，最大變形量變為14.32μm。由此可知，變形大小和施加力的大小是成正比的。

到此，UG有限元分析基本結束。

4 解決方案

通過UG有限元的直觀分析，基本可以確定由于此工件壁薄，要求精度高，對末端施加的輔助力基本會使工件在末端缸孔底部產生變形，即使將減壓閥減到最小5 kgf頂緊力的時候，在不考慮毛坯厚度公差及加工時刀具切削力的情況下，理論上仍然會產生7μm多的壓力變形，這是不可接受的。所以原方案輔助壓緊機構最終很難滿足圖紙要求。

經過查詢相關資料，最終確定另一種液壓缸可以滿足需要，這種缸的原理是，加力時先將彈簧釋放，慢慢靠緊工件，然后液壓鎖住位置。這種缸的優勢在于，靠緊工件時只是靠緊，而幾乎沒有壓力作用在工件上，鎖緊后，工件就不會在加工過程中產生震動，這正是我所需要的。

5 結論

作為工程師，會在工作中發現各式各樣的問題，而能否解決問題的關鍵是能不能分析出真正問題點。依靠經驗固然重要， 但是面對新的問題，新的挑戰不能僅僅依靠經驗，更不能在沒有可靠數據的情況下憑借主觀的臆斷，對生產造成不必要的損失。UG有限元分析通過簡潔的操作，就能為我們提供直觀，精確的數據，就能為我們解決問題提供出可靠的依據，實在是一柄工程師手中不和缺少的利器，掌握了這柄利器的使用方法，會大幅提高我們分析問題，解決問題的能力，會使我們自身的價值產生質的飛躍。

參考文獻

[1] 呂洋波.UG NX7.0動力學與有限元分析從入門到精通[M].北京：機械工業出版社，2010.

[2] 詹友剛.UG NX8.0產品設計實例精解[M].北京：機械工業出版社，2011.

[3] 張云杰.UG NX 6.0零件與裝配設計[M].北京：清華大學出版社，2010.endprint