基于UG的臺式包邊機主壓機構有限元分析

劉 煒，李 廣，黃春筍，張海峰，曾耀華

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，重慶 401120）

0 引言

包邊機是完成汽車覆蓋件包邊工藝不可缺少的設備，主要有壓力機+包邊機、臺式包邊機、和機器人滾邊等3種形式[1]，臺式包邊機主要由機械本體、電氣系統和液壓系統3部分構成[2]，具有生產效率高、價格便宜的優點，在國內汽車制造廠得到廣泛應用。由于采用液壓驅動，機構受力較大，包邊機長期使用后容易疲勞，機械部分如壓臂或基座經常出現斷裂的情況，難以修復，造成較長時間停線，斷裂部位如圖1和圖2所示。

有限元分析是目前機械設計中廣泛應用的先進設計方法之一，在當前主流的FEA軟件都可以對各種載荷狀態下受力結構件的應力、應變進行分析[3]。UG軟件所提供的高級仿真模塊是一個集成化、全相關、直觀易用的CAE工具，可對UG零件和裝配進行快速的有限元前處理、求解和后處理，且功能強大、操作簡單易用[4-6]。

目前，利用UG高級仿真模塊進行結構件有限元分析主要應用在對單個零件的分析，但對多零件裝配體的有限元分析鮮有介紹[7-10]。以臺式包邊機主壓機構為例，具體介紹利用UG NX 8.0進行包邊機主壓機構有限元分析的方法和步驟，為后續包邊機主壓機構改進及結構優化提供參考，同時也為其他多零件裝配體利用UG進行有限元分析提供方法借鑒。

圖1 基座斷裂

圖2 壓臂斷裂

1 創建主壓機構裝配模型

臺式包邊機主壓機構主要由基座、壓臂、刀架、連桿等組成，由油缸驅動壓臂帶動刀架運動，實現包邊的動作。整個機構為連桿機構與搖桿滑塊機構的組合，基座與刀架和連桿為四連桿的平行四邊形機構[11]，油缸與壓臂可看作搖桿滑塊機構，這2個機構通過壓臂與刀架鉸接在一起構成了整個主壓機構。利用UG建模功能，根據設計要求與分析簡化原則，建立包邊機主壓機構各個零部件模型，完成各部件三維模型后根據主壓機構的裝配結構及運動關系，在UG的裝配模式下，完成臺式包邊機主壓機構的裝配，如圖3所示。

圖3 臺式包邊機主壓機構裝配模型

2 創建有限元模型

2.1 有限元模型處理

創建好圖3所示主壓機構裝配模型后，點擊“開始”下拉菜單中的“高級仿真”進入高級仿真模塊，在仿真導航器中選擇組件，右擊模型名稱選擇“新建FEM”，彈出“新建部件文件”對話框，選中“NX Nastran”選項，名稱和路徑可以設為默認或自己設定，單擊“確定”彈出“新建FEM”對話框，按照默認設置，再次點擊“確認”，UG進入有限元模型環境。

進入有限元模型環境后需要依次進行指派材料、添加物理屬性及創建網格收集器的操作，具體方法可參考UG有限元分析相關教程[12-13]，不再贅述。

通過查詢包邊機主壓機構圖紙可知零件材料為Q235A，在指派材模型料時選擇UG材料庫提供的Steer-Rolled，添加物理屬性PSOLID1時，屬性中的材料也要選擇“Steer-Rolled”，由于該包邊機主壓機構裝配體共37個零件，所以需要逐一設置37個網格收集器，每個網格收集器的實體屬性均需要設置為PSOLID1，如圖4所示。完成上述操作后即可進行實體網格劃分。

2.2 網格劃分

單擊高級仿真工具欄中的“3D四面體網格”，彈出3D四面體網格對話框（圖5），在仿真導航器中的“多邊形幾何體”中選擇Polygon Body（1）作為劃分網格的幾何體對象，在3D四面體對話框下方目標收集器取消勾選“自動創建”，選擇前面創建的Solid（1）為目標收集器，點擊“網格參數”中“單元大小”右側的“自動單元大小”按鈕，單元大小會自動修改為10.2 mm，最后點擊“應用”按鈕，即完成第一個幾何體的網格劃分。用同樣的方法對剩余的36個幾何體逐一進行網格劃分。由于零件數量較多，在網格劃分過程中很容易出現遺漏、選錯幾何體或選錯目標收集器的情況，所以網格劃分的過程要格外細心，否則網格劃分錯誤會影響后續的解算結果。網格劃分完成后生成有限元模型（圖6）。

圖4 設置網格收集器

圖5 網格劃分

3 創建仿真模型

3.1 新建仿真環境

右擊仿真導航器中的有限元模型名稱，選擇“新建仿真”，在彈出的“新建部件文件”對話框中模板選擇“NX Nastran”，其他各選項選擇默認，單擊確定彈出“新建仿真”對話框，按默認設置點擊確定，彈出“解算方案”對話框，按默認設置點擊確定即完成了仿真環境的創建。

3.2 添加約束及載荷

圖6 有限元模型

根據包邊機主壓機構工作時的實際情況，在壓刀與鈑金壓緊時基座底面、限位塊上下面及刀架與壓刀接觸的面均處于固定狀態，所以對基座、限位塊及刀架相應約束面設置為固定約束，以實現對這些零件6個自由度的限制。在該包邊機主壓機構中存在較多銷軸，考慮到機構運行過程中各銷軸不能有軸向移動，需要對存在軸向移動自由度的零件創建用戶自定義約束，以此來限制這些零件無軸向移動。若銷軸無軸向約束，則在其分析結果會出現結構件沿軸向滑動的情況，這是多零部件裝配體進行有限元分析的關鍵問題之一。該主壓機構零件很多，共計創建了3個固定約束及31個用戶自定義約束（圖7）。

在仿真導航器的“多邊形幾何體”及“3D收集器”中分別隱藏油缸缸筒部分，使油缸活塞受力面方便被選中，在工具欄“選擇載荷”下拉列表中選擇“壓力”彈出“壓力”對話框，如圖8所示，點擊“選擇對象”，選擇油缸活塞下端面為受力面，包邊機主壓壓力10 MPa，在幅值設置里選擇單位為N/mm2（MPa），并設置幅值為10，即完成活塞下端面所受載荷，如圖8箭頭所示。同理可設置油缸缸筒內側底面的載荷也為10 MPa。整個包邊機主壓機構僅由油缸驅動，故裝配體所受載荷僅為液壓作用在油缸活塞下端面及缸筒內部底面的2個壓力。

3.3 創建面對面接觸

面對面接觸作為一種連接方式在機械產品中非常常見，UG高級仿真中“SESTATIC 101-單約束”解算模塊提供的線彈性Surface-to-Surface Contact命令可以用來定義2個面之間的接觸[14]。

圖7 創建約束

圖8 添加載荷

在工具欄“仿真對象類型”下拉列表中選擇“面對面接觸”，彈出“面對面接觸”對話框，“類型”選擇“自動配對”，點擊“創建自動面對”右側的“創建面對”圖標彈出“Creat Automatic Face Pairs（創建自動面對）”對話框，“屬性”中“分組選項”設置“按體對”，“距離公差”設置0.2 mm，點擊“確定”按鈕即開始自動進行面對面匹配，完成匹配后返回“面對面接觸”對話框，再次點擊“確定”按鈕完成面對面接觸的創建。由于本例中相互接觸的零件較多，共計創建了46個面對面接觸對象，如圖9所示，圖中箭頭即表示所創建的面對面接觸。

4 分析求解與后處理

4.1 解算方案求解

右擊仿真導航器中“Soloton 1”，選擇“求解”彈出“求解”對話框，所有設置按照默認設置，直接單擊確定按鈕即進入求解過程，求解時會出現“分析作業監視器”和“解算監視器”兩個窗口，由于模型零件較多，結構復雜，存在較多面對面接觸及較多約束，解算過程約持續20 min。解算完成后分析作業監視器窗口會出現“Completed”的提示，同時在仿真導航器下方會出現“Result”節點。

圖9 面對面接觸

4.2 解算結果查看

雙擊“Result”節點，界面跳轉至后處理導航器，在后處理導航器中可以查看整個機構的應變、應力分析等仿真結果。圖10為整個裝配結構的位移仿真結果。單擊工具欄中的“播放”圖標可以更清晰的觀察整個機構變形的具體變化過程。

在包邊主壓機構中我們只需要關注基座、壓臂等關鍵部件的受力情況，UG結果后處理中可以隱藏其他非關鍵單元，單獨查看關鍵部件的分析結果。展開后處理導航器中“云圖繪圖”節點下“Post View 3”節點下的“3D單元”，取消勾選其他非關鍵單元，僅選擇需要查看的單元，即可單獨查看該關鍵單元。圖11～圖14分別為基座及壓臂的應變云圖及應力云圖。

通過仿真結果可知，包邊機主壓機構基座最大應變及應力處均在通過銷軸與壓臂連接的銷孔處，壓臂最大應變處在通過長軸與油缸活塞桿接頭連接的軸孔處，壓臂最大應力處在通過銷軸與基座連接的銷孔處，這些部位是基座與壓臂這2個關鍵部件的薄弱部位，長期使用后有疲勞斷裂的風險，通過對比圖1、圖2中基座及壓臂出現斷裂的部位，可以發現在生產實際中斷裂部位與分析結果相符，驗證了分析結果的正確性。

通過分析結果可以指導維修人員在對包邊機進行預防性維修時需重點關注基座及壓臂的薄弱部位，一旦發現這些部位有輕微裂紋時能夠及時對裂紋部位進行焊接修復，避免重大故障的發生。

圖10 機構整體應變位移云圖

圖11 基座應變云圖

圖12 基座應力云圖

5 結論

（1）探討了利用UG高級仿真模塊進行臺式包邊機主壓機構有限元分析方法，為其他多零部件裝配體的結構分析及優化設計提供參考。

（2）得出了包邊機主壓機構整個裝配體及基座、壓臂等部件的應變、應力云圖，分析結果與實際情況相符，驗證了分析的準確性，為后續包邊機主壓機構改進及結構優化提供了理論依據。

（3）確認了基座、壓臂等關鍵部件的應力集中點，維修人員將這些部位作為PM重點檢查區域，能夠及時發現裂紋并進行焊接修復，避免重大故障發生。

圖13 壓臂應變云圖

圖14 壓臂應力云圖