基于ANSYS軟件的輪轂柔性夾具防疲勞研究

許亞威

摘 要：鋁合金輪轂在機加工制造中多使用柔性夾具。機加工自動化生產線的產品特點是多品種、小批量[2]，這就要求現場的自動化單元需要頻繁的更換輪型夾具，而頻繁的更換夾具元件以及不同工況下的持續生產極易造成夾具元件的疲勞損傷，延長夾具壽命成為非常重要的研究課題。借助ANSYS 軟件針對夾具的結構及受力進行全面仿真模擬，分析出夾具元件最易疲勞損壞的位置，并進行針對性的強化和增加防護措施，從而避免出現因夾具零件疲勞斷裂產生的撞車事故，延長夾具的使用壽命。

關鍵詞：輪轂夾具;有限元分析;防疲勞

一、柔性夾具的特征

柔性夾具元件分三個系列：槽系列夾具元件、孔系列夾具元件、光面系列夾具元件[1]。其特征如下：

（1） 管理方式柔性，即管理方式靈活。夾具備件具有較高的柔性能夠適應不同種類工件的裝夾。

（2） 生產能力柔性。當生產量發生改變時，系統也能高效經濟地運行。對于目前根據訂貨而組織生產的制造系統而言，這一點尤為重要。

（3） 人力資源柔性，所需的維護人員較少。勞動強度較低，勞動條件好，設備簡易，易實現機械化和自動化。夾具的保養檢修人員數量實現少量化。

（4） 供應鏈柔性。夾具傳動部件少、拆卸方便，且能夠適應工件的形狀和尺寸在一定范圍內的變化的夾具。

二、夾具疲勞現象

生產過程中機床夾具是在變動載荷的情況下工作的，夾具疲勞就是指夾具零件在循環應力或循環應變作用下，在一處或幾處逐漸產生局部永久性累積損傷，經一定循環次數后產生裂紋或突然發生完全斷裂的過程。 應變是表征疲勞問題的主要參量之一，具有廣泛的實用性[3]。當材料和結構受到多次重復變化的載荷作用后，應力值雖然始終沒有超過材料的強度極限，甚至比彈性極限還低的情況下就可能發生破壞，這種在交變載荷重復作用下材料和結構的破壞現象，就叫做夾具的疲勞破壞。

疲勞的夾具零件在實際生產中會發生斷裂或脫離裝配面的危險情況，導致工件夾緊失效，最終發生撞車事故，造成設備財產重大損失。借助ANSYS 軟件對輪轂的柔性夾具做有限元分析，識別夾具零件中最易疲勞的部位，從而對易疲勞部位進行針對性的強化并加強維護保養有重大意義。

三、基于ANSYS 軟件的夾具疲勞分析

ANSYS Workbench就是在這種環境下誕生的有限元仿真軟件。ANSYS Workbench軟件的工程虛擬仿真技術能夠整合電場參數、磁場參數、結構參數等于一體，也可以更好的與多數CAD軟件接口適應，實現數據的共享與交換，滿足工程技術要求。

ANSYS軟件主要分成三個部分： 前處理模塊，主要通過網格劃分實現構造有限元模型;分析仿真模塊，主要是模擬多物理介質的相互作用;后處理模塊，主要是將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。

輪轂柔性夾具應用ANSYS軟件的仿真分析：

簡化仿真夾具的材料統一設置為鋼材料，所其彈性模量為2.06E+10，泊松比為0.3。搭建有限元模型的一個重要環節是劃分網格，為了建立能夠符合實際情況的有限元模型，需要綜合考慮網格的數量、質量、疏密、分界面和分界點、布局、單元階次、位移協調性等因素。鑒于分析對象結構較為復雜，使用自由網格劃分的方式對其進行劃分，單元的大小統一設置成為10mm。

選取單元壓爪壓力平均值取F=766N，工件重量15KG進行軟件模擬仿真。當夾具在裝夾輪轂的時候，對有限元模型中的3個壓爪施加數值為766N的集中力載荷。對3個端面塊施加豎直向下的集中力，大小為816N。夾具三個方位的徑向塊主要是在徑向約束輪轂的位移，所以要對其施加300N的預緊力。當夾具在高速轉動時，離心力對結構強度的影響較大。對模型整體施加慣性載荷，角速度為157rad/s，實現離心力的加載。最后還要在夾盤外殼的表面進行全約束，防止夾具發生位移。

下圖載入參數之后整體的位移模擬云圖，從圖中可以看出壓爪和徑向夾緊機構在集中力載荷和離心力的作用下，均發生了一定的形變。由圖可見在壓爪上部分的邊緣處出現了最大位移。

由圖可知夾具等效應力最大的位置出現在螺旋軸上，左圖為螺旋軸的等效應力云圖。在外加集中力載荷和離心力的雙重作用下，螺旋軸發生一定的變形，致使在螺旋軸與軸套的接觸位置產生較大的作用力，同時由于該接觸面較小，根據彈性力學的原理，從而會產生較大的集中應力。右圖為螺旋軸位移云圖，其最大的位移量為0.287mm，出現在螺旋軸的最頂端。

為了減小螺旋軸處應力集中，可以適當的對其進行倒角處理。與螺旋軸連接的壓爪螺栓也是應力集中區域，建議定期及時更換以免螺栓疲勞發生連接件斷裂事故。

四、總結

鋁合金輪轂機床夾具的防疲勞分析對實際生產有非常大的指導意義，而對夾具的結構和內部零件進行結構分析和受力分析是當前最大的難點。借助ANSYS 軟件可以對夾具的結構及受力實現全方位的仿真模擬，找出最易疲勞的夾具元件位置進行針對性的強化和增加防護措施，從而避免出現因夾具零件疲勞斷裂產生的撞車事故，延長夾具的使用壽命，降低生產成本從而增加經濟效益。

參考文獻

[1] 方和平.柔性夾具的發展與應用[M].文章編號：1671-3133（2002）0055-03.

[2] 崔金嶺.柔性夾具的研究與創新設計[D].蘇州大學：機械設計制造及自動化，2008.

[3] 趙永翔. 應變疲勞可靠性分析的現狀與展望[J].機械工程學報，2001，37（11）：1-6.