基于Hyperworks的機床料叉強度有限元分析及結構優化 *

郎福嘉，龔 旺，劉 毅，唐靈聰，石 剛,2

(1.寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336；2. 浙江吉利動力總成有限公司，浙江 寧波 315800)

0 引 言

隨著我國工業水平的快速發展，各行各業的生產線自動化程度也越來越高。然而對于汽車發動機的缸體、缸蓋、曲軸、凸輪軸等生產線的自動化程度在制造業中也是位居前列，這歸結于高柔性、高精度、高數字化、高自動化的加工機床被廣泛的應用。目前隨著終端客戶對于汽車油耗、質量、安全、NVH及多樣化的車型配置等方面要求變的日趨嚴苛，各大汽車制造商更加關注汽車的“心臟”——發動機的制造過程。

為了滿足消費者對于多樣化的動力總成配置需求，這就要求主機廠能夠同時生產多種機型。所以就需要發動機生產線具備高柔性化的生產能力，能夠實現不同機型之間的快速換型，引進具備快速換型功能的加工機床變的非常重要。同時隨著CAE仿真技術的不斷發展，計算機仿真軟件不僅在汽車各種零部件的設計、開發等領域廣泛使用，另外也為發動機生產線加工機床的設計、選型及柔性化工藝方案規劃等方面提供了非常有效的仿真工具。筆者結合某款發動機生產線柔性化加工機床的回轉料叉為研究對象，通過機床的回轉料叉可以實現不同機型快換夾具的自動更換，保證多機型共線生產。通過利用有限元仿真技術，借助仿真分析軟件Hyperworks對料叉在承受夾具載荷作用下的強度進行校核，為評估機床回轉料叉設計方案及工藝換型方案的可行性及合理性提供重要評判依據。

1 機床回轉料叉有限元模型建立

1.1 機床回轉料叉三維模型建立

機床料叉的主要作用就是負責接收來自桁架機械手抓取的工件，通過自動回轉實現工件的姿態轉換，然后運送到機床工作臺的夾具上實現工件的自動裝夾定位，為后續的加工做好準備。機床料叉設計的另外一個重要的作用則是通過料叉將不同機型的夾具輸送至機床工作臺，通過夾具的快換功能實現多機型兼容生產。文中通過在CATIA三維軟件中建立機床回轉料叉的三維模型，并轉換成Step格式。通過Step格式導入Hypermesh軟件[1]，完成有限元模型的建立。

圖1 機床回轉料叉三維模型

1.2 機床回轉料叉有限元模型建立

1.2.1 幾何模型清理

利用前處理軟件Hypermesh建立機床料叉的有限元模型，首先對料叉模型一些非關鍵部位的細小特征進行幾何清理，這些些小特征對于仿真模型的計算結果基本沒有影響，但是如果不進行清理將會嚴重影響網格劃分質量。例如模型中的細小倒角、圓角、小孔、小的凸臺、傳感器及其支架等，使其在網格劃分時能夠保證較好的網格質量。

1.2.2 幾何模型結構及約束簡化

此次模型重點關注的是機床料叉的強度是否滿足要求，考慮到有限元模型創建的效率及周期故對于夾具的模型就不再進行詳細建模，通過等效質量配平的方法在模型中等效代替。通過CATIA三維軟件測量出夾具在模型中的質心坐標，然后在Hypermesh軟件中利用測得坐標數據建立質心位置的Node節點，然后通過1D面板中的RBE3剛性單元將夾具的各個定位孔及支撐面與質心Node節點進行柔性耦合約束，利用RBE3單元不會給系統引入額外的剛度。如圖2所示在質心位置利用Mass單元[2]建立質量點，從而代替夾具的實際質量，大大提高了建模效率，縮短建模周期。

機床料叉模型中各部件之間的螺栓連接和焊接由于不是詳細研究的部位，所以本次建模不對螺栓及焊接進行詳細建模，焊接采用Cweld焊接單元進行模擬，如圖3所示。螺栓采用rbe2-cbar-rbe2的形式進行剛性連接，模擬實際的螺栓，如圖4所示。

圖2 Mass單元建立質量點 圖3 焊接單元

1.2.3 網格劃分

在Hypermesh中對于模型中厚度比較薄的板材及中間的工字型的梁結構均抽取中性面[2]，在抽取的幾何中性面上劃分二維面網格,并對中性面上的螺栓孔進行washer處理[3-4]。對于形狀比較規則的零件劃分六面體網格，其余零件劃分四面體網格，網格基本尺寸為6 mm，模型中不同的部位將根據實際情況進行相應的放大或者縮小，最終保證所有單元的質量滿足劃分要求。模型中共劃分了1 908 232個單元，有限元模型如圖5所示。

圖4 rbe2-cbar-rbe2單元 圖5 機床回轉料叉有限元模型

1.2.4 材料參數

料叉的材料為Q235B，其材料屬性相關的數據見表1所列。

表1 材料屬性數據

2 載荷及邊界條件

針對此次研究對象機床回轉料叉，雖然在其抬起夾具到完成換型的整個流程是一個動態的過程，但可以將其簡化為靜力學問題進行處理。其承載荷主要考慮垂直方向上的快速換型夾具的總質量。根據料叉的實際工作情況，由于機床為雙主軸設備，故每次換型時料叉的兩個支架需同時承載兩個夾具，每個夾具重量為200 kg?；剞D料叉通過底座與機床床身固定，底座有12顆M12的螺栓，利用RBE2剛性單元對螺栓孔的內表面節點進行剛性耦合約束，并約束耦合點123 456自由度。在Hypermesh中通過1D面板中的Mass單元將夾具的質量加載到創建好的質量點處，完成載荷的創建。

表2 分析工況及載荷

3 結果分析

利用Optistruct求解器計算后[5]，回轉料叉兩個支架同時承受200 kg載荷時的應力及位移狀態如圖6、7所示。

圖6 回轉料叉Von Mises應力云圖

圖7 回轉料叉位移云圖

根據其Von Mises應力云圖可知，最大等效應力為σmax=349.75 MPa，由于料叉的材料為Q235B屬于塑性材料，通常以屈服的形式失效，其屈服強度σs=235 MPa，故采用第四強度理論進行校核。其最大Von Mises應力遠大于其材料屈服強度，在此負載下料叉會發生嚴重的塑性變形甚至破壞，載荷撤銷后回轉料叉無法恢復原有狀態，不滿足強度要求。所以需要對料叉的現有結構進行相應的優化，以提高料叉整體的承載能力。

4 回轉料叉結構優化分析

4.1 機床回轉料叉結構優化

根據其應力云圖可知，最大應力出現在工字型橫梁與支架加強筋連接處，見圖8所示位置。

圖8 工字型橫梁應力集中位置(優化前)

又因為料叉工字型的主梁為厚度為5 mm的型鋼，從安全角度考慮需要對其厚度進行加強，經過分析本次主梁優化后的厚度為10 mm。在此優化的基礎上試算后發現叉齒根部用于固定支撐塊的螺紋孔變成新的應力集中部位，主要原因是由于其位置太靠近叉齒邊沿造成，具體見圖9所示。同時叉齒加強筋的厚度從8 mm，加強到12 mm。四個叉齒支撐塊固定螺紋孔一側寬度均增加3 mm。經過以上三處的結構加強。

圖9 支撐塊固定孔應力集中位置(優化前)

圖10 支撐塊固定螺紋孔處叉齒厚度結構對比圖 圖11 支架加強筋處結構優化前后對比圖

4.2 優化后的結果分析

利用Optistruct求解器對結構加強后的有限元模型進行重新計算，輸出相應的應力及位移，具體見圖12、13所示。

圖12 回轉料叉Von Mises應力云圖(優化后)

圖13 回轉料叉位移云圖(優化后)

由圖12可知，結構加強后的料叉在同樣的負載下的最大等效應力σmax=205.13 MPa，屈服強度σs=235 MPa，安全系數大于1，滿足第四強度理論[6]。結合料叉實際工作環境及發動機換型的頻次并出于對設備成本及安全的綜合考慮，所以優化的回轉料叉結構可以滿足夾具換型要求，為全線工藝方案的規劃提供了重要依據。

5 結 論

(1) 通過Hyerworks軟件以發動機生產線加工機床內部的換型料叉為研究對象，并利用有限元的方法進行強度校核。在識別出風險部位后并利用Optistruct模塊進行結構優化，最終保證了優化后的料叉結構強度滿足夾具承載的要求，為設備選型及工藝方案規劃提供了重要依據。

(2) 隨著有限元技術的不斷發展，有限元仿真技術在發動機產線設備領域的應用，也為當下的設計人員、設備人員、工藝人員在進行潛在風險識別、減少決策失誤、降低生產成本、縮短項目周期[7]等方面提供了新的工作思路。