基于Ansys Workbench的工裝有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

羅 東， 呂 杰

（中車永濟(jì)電機(jī)有限責(zé)任公司， 山西 永濟(jì) 044500）

引言

工裝作為產(chǎn)品制造過程中的輔助工具，其結(jié)構(gòu)優(yōu)劣足以決定產(chǎn)品制造工藝的效率及產(chǎn)品品質(zhì)[1]。因此，工裝設(shè)計(jì)對(duì)其結(jié)構(gòu)需要更加先進(jìn)的數(shù)字仿真技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。有限元分析的方法在工程設(shè)計(jì)和科研領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，有限元分析將求解域看成是許多小的互聯(lián)子域，對(duì)每一子域求出一個(gè)近似解，然后推導(dǎo)整個(gè)求解域總的滿足條件，從而得到問題的解。有限元仿真優(yōu)化的一般步驟如下：根據(jù)使用工況對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行校核，仿真計(jì)算出原設(shè)計(jì)的薄弱部位。對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定優(yōu)化目標(biāo)及優(yōu)化條件，尋找最優(yōu)解。依據(jù)優(yōu)化結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)計(jì)算，最終確定設(shè)計(jì)方案。對(duì)真實(shí)幾何結(jié)構(gòu)和載荷進(jìn)行模擬，就能實(shí)現(xiàn)工裝設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)——用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)，從而確定最輕、最優(yōu)化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)[2]。

聯(lián)軸節(jié)是高速動(dòng)車組中電機(jī)與減速箱連接最常用的部件，聯(lián)軸節(jié)與電機(jī)軸是過盈配合，安裝過程需要用到聯(lián)軸節(jié)組裝工裝。圖1是組裝聯(lián)軸節(jié)工裝示意圖，該工裝是通過推力液壓裝置將聯(lián)軸節(jié)裝配到軸上的專用工裝。因設(shè)計(jì)不合理蓋工裝在使用過程中出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，如圖2所示。為分析拉桿斷裂原因及設(shè)計(jì)該拉桿以滿足使用要求，需要對(duì)拉桿重新仿真分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文利用CREO軟件對(duì)原始電機(jī)組裝聯(lián)軸節(jié)工裝進(jìn)行參數(shù)化建模，然后利用Ansys workbench模塊對(duì)原工裝設(shè)計(jì)方案進(jìn)行應(yīng)力分析，確定設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)，尋找拉桿斷裂原因。根據(jù)分析結(jié)果對(duì)工裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終獲得滿足強(qiáng)度和剛度要求的工裝結(jié)構(gòu)。

圖1 組裝聯(lián)軸節(jié)工裝示意圖

圖2 拉桿斷裂圖

1 組裝聯(lián)軸節(jié)工裝的三維建模及有限元分析

1.1 組裝聯(lián)軸節(jié)工裝的結(jié)構(gòu)及工作原理

組裝聯(lián)軸節(jié)工裝主要由膨脹泵油嘴、推力泵液壓裝置，拉桿、壓筒、螺桿、螺母等零部件組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理為先將聯(lián)軸節(jié)用手推入軸上，將組裝聯(lián)軸節(jié)工裝和液壓裝置裝好。將膨脹泵加壓到指定壓力，使聯(lián)軸節(jié)脹開，利于壓裝到軸上。然后將推力泵加壓到指定壓力，推力泵壓力表指針不動(dòng)，表示聯(lián)軸節(jié)已打到位。這時(shí)將膨脹泵直接卸壓，推力泵保壓20 min后直接卸壓，完成聯(lián)軸節(jié)裝配。

1.2 拉桿建模

拉桿是組裝聯(lián)軸節(jié)工裝的關(guān)鍵部件，在使用過程中，拉桿通過三個(gè)長(zhǎng)螺栓與轉(zhuǎn)軸軸頭固定，壓筒通過拉桿的導(dǎo)向桿壓在聯(lián)軸節(jié)上，推力液壓裝置也套在拉桿的導(dǎo)向桿上，導(dǎo)向桿尾部通過螺栓將推力液壓裝置固定。推力液壓裝置加壓時(shí)，拉桿承受拉力，最大拉約82 500 N。拉桿的材料為合金鋼，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度約為550 MPa，抗拉強(qiáng)度800～950 MPa，質(zhì)量密度為7 800 kg/m3。根據(jù)現(xiàn)有模型尺寸，利用CREO參數(shù)化造型功能，可建立拉桿的精確模型，如下頁圖3所示。

圖3 拉桿三維模型

1.3 分析類型和條件的確定

為仿真分析拉桿斷裂的原因，將拉桿模型單獨(dú)取出。本文重點(diǎn)研究截面變化處的應(yīng)力狀態(tài)，為減少計(jì)算量，細(xì)化關(guān)鍵位置網(wǎng)格，模型取截面處斷裂部位，如圖4所示。三個(gè)螺栓位置施加固定約束，模擬螺桿對(duì)拉桿的連接，在拉桿小截面處施加8 2500 N拉力，模擬推力液壓裝置對(duì)拉桿施加的拉力。

圖4 拉桿有限元分析模型

1.4 拉桿有限元分析

對(duì)上述模型進(jìn)行分析計(jì)算，由圖5的應(yīng)力云圖可知，拉桿最大應(yīng)力發(fā)生在變截面處，最大值約為809.5 MPa，超過材料的屈服強(qiáng)度，甚至超過材料的抗拉強(qiáng)度，該設(shè)計(jì)方案極易發(fā)生斷裂，不滿足實(shí)際工作要求。

圖5 原始設(shè)計(jì)拉桿應(yīng)力云

2 工裝壓板的優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程是建立準(zhǔn)確的優(yōu)化模型,采用合適優(yōu)化算法，建立優(yōu)化目標(biāo)及優(yōu)化變量，通過迭代計(jì)算，得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。目標(biāo)函數(shù)是優(yōu)化分析的目標(biāo)，在一個(gè)優(yōu)化算例中，只能設(shè)定一個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化目標(biāo)可以是最小質(zhì)量、體積、尺寸、成本等[3]。在優(yōu)化設(shè)計(jì)前，需要限定設(shè)計(jì)變量的變化范圍；約束條件是定義模型狀態(tài)變量的合理變化范圍，并指定變化范圍的最大值和最小值。

工裝原始設(shè)計(jì)由于結(jié)構(gòu)安裝的特殊要求，無法在變截面處倒角，導(dǎo)致變截面處應(yīng)力集中，應(yīng)力無法滿足設(shè)計(jì)要求，因此需要一種新的結(jié)構(gòu)方式滿足應(yīng)力要求。

在滿足加工工藝要求的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計(jì)采用內(nèi)陷倒圓角方式，以犧牲螺桿接觸面強(qiáng)度為代價(jià)換取拉桿截面處應(yīng)力減小，如圖6所示。

圖6 拉桿內(nèi)陷式設(shè)計(jì)方案

為了確定內(nèi)陷深度及內(nèi)陷孔徑，達(dá)到該結(jié)構(gòu)拉桿拉力跟螺栓壓力位置的應(yīng)力合理分配，需要對(duì)該方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)之前，對(duì)拉桿尺寸添加關(guān)系約束，如圖7所示，其中d26=（d27-d6）/2，d30=d26，添加此約束后，只要修改孔徑d27尺寸，孔深d26，倒角Rd30都會(huì)隨之改變。

圖7 優(yōu)化變量及參數(shù)

以拉桿所受應(yīng)力最小化為優(yōu)化目標(biāo)，孔徑d27尺寸為變量。取設(shè)計(jì)變量d27的取值范圍為：24～32 mm，經(jīng)過10次迭代后，成功找到工裝拉桿模型的最優(yōu)解，優(yōu)化參數(shù)及結(jié)果如表1所示。由表1可知，當(dāng)d27=26 mm時(shí)，該工裝最大應(yīng)力為567.26 MPa,與優(yōu)化前相比，應(yīng)力下降30%多。且最大應(yīng)力屬于壓應(yīng)力，不會(huì)引起工裝破壞。將優(yōu)化后的數(shù)據(jù)帶入有限元分析軟件重新進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，結(jié)果如下頁圖8所示，圖8應(yīng)力與優(yōu)化數(shù)據(jù)有些許差別是因?yàn)閮烧呔W(wǎng)格劃分方法差異所導(dǎo)致。

表1 工裝拉桿不同優(yōu)化參數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖8 優(yōu)化后的應(yīng)力云圖

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，工裝拉桿的應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)范圍，后續(xù)使用中未發(fā)現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。說明該優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)組裝聯(lián)軸節(jié)工裝的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)，該工裝滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

3 結(jié)語

1）由于原有組裝聯(lián)軸節(jié)工裝在使用過程中出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，影響產(chǎn)品生產(chǎn)，必須對(duì)該工裝進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，利用CREO軟件對(duì)組裝聯(lián)軸節(jié)工裝進(jìn)行了參數(shù)化建模，并利用Ansys Workbench軟件對(duì)工裝拉桿斷裂原因進(jìn)行了有限元分析，分析結(jié)果表明拉桿最大應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度，不滿足使用要求。說明初始設(shè)計(jì)方案有缺陷，需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。

2）在有限元分析的基礎(chǔ)上，對(duì)工裝拉桿進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)果表明工裝拉桿的應(yīng)力下降30%以上，且滿足使用條件要求。

3）在產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中，應(yīng)用有限元分析軟件進(jìn)行仿真，可以提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷和不足，進(jìn)而進(jìn)行修改和優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅可有效縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低廢品率和制造成本，同時(shí)使結(jié)構(gòu)輕便耐用。