賀甲甲，朱先琦

（安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，安徽蕪湖241000）

基于SolidWorks的夾具座的鈑金設(shè)計(jì)及其應(yīng)力仿真分析

賀甲甲，朱先琦

（安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，安徽蕪湖241000）

利用SolidWorks軟件中的鈑金模塊設(shè)計(jì)出了鋼筋對(duì)焊夾具中的承載主體——夾具座，得到了鈑金展開(kāi)圖。論述了基于SolidWorks Simulation對(duì)夾具座進(jìn)行有限元應(yīng)力分析的過(guò)程。對(duì)夾具座進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

SolidWorks；鈑金設(shè)計(jì)；應(yīng)力仿真；優(yōu)化設(shè)計(jì)

鈑金零件在電子電器、通信、汽車(chē)工業(yè)和醫(yī)療器械等領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。鈑金是一種針對(duì)金屬薄板的綜合冷加工工藝，通過(guò)手工或模具沖壓使金屬內(nèi)部組織發(fā)生塑性變形，形成想要的結(jié)構(gòu)及尺寸，這樣得到的零件厚度一致，厚度通常在6 mm以?xún)?nèi)。金屬鈑金零件在發(fā)生塑性變形后，其內(nèi)部組織會(huì)得到一定的改善，機(jī)械強(qiáng)度有所提高，與剪、沖/切/復(fù)合、折、鉚接、拼接和成型等工藝配合，可使鈑金件結(jié)構(gòu)更符合實(shí)際使用要求，因此鈑金是制造復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)件的主要方法［1］。

SolidWorks軟件是一個(gè)基于特征、參數(shù)化和實(shí)體建模的設(shè)計(jì)工具，采用Windows圖形用戶(hù)界面［2］，具有強(qiáng)大的設(shè)計(jì)功能，能大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，使產(chǎn)品快速高效地投向市場(chǎng)，其零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)及工程圖之間是全相關(guān)的。它同時(shí)擁有強(qiáng)大的鈑金設(shè)計(jì)功能，可逼真地建立鈑金件的三維模型并得到展開(kāi)圖。

本文應(yīng)用SolidWorks2013的鈑金設(shè)計(jì)模塊對(duì)鋼筋對(duì)焊夾具中的承載主體——夾具座進(jìn)行鈑金設(shè)計(jì)，得到了其展開(kāi)圖，并對(duì)夾具座進(jìn)行了應(yīng)力仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1　夾具座的三維建模

在SolidWorks軟件中有兩種生成鈑金零件的方法：第一種方法是設(shè)計(jì)實(shí)體零件，然后轉(zhuǎn)換成鈑金零件，即首先創(chuàng)建一個(gè)實(shí)體零件，再將之轉(zhuǎn)換為鈑金件；第二種方法是使用鈑金特征創(chuàng)建鈑金零件，這種方法從最初的基體法蘭特征開(kāi)始直接將零件作為鈑金零件開(kāi)始建模［3］。第二種方法從一開(kāi)始生成的就是鈑金零件，避免了多余的步驟，從而能更快、更容易地生成鈑金件的三維模型。

本文采用第二種方法對(duì)夾具座進(jìn)行鈑金設(shè)計(jì)，建立三維模型。其基本步驟如下：（1）先選取繪圖平面，然后在此面上作草圖，大致進(jìn)行草圖繪制、尺寸標(biāo)注或設(shè)置限制條件，結(jié)束草圖繪制；（2）使用命令“基本法蘭/薄片”創(chuàng)建基本法蘭特征；（3）使用命令“斜接法蘭”將一系列法蘭添加到一個(gè)或多個(gè)鈑金零件邊緣；（4）使用其他命令對(duì)鈑金零件進(jìn)行完善，使用命令“繪制的折彎”添加一個(gè)折彎；（5）創(chuàng)建切除材料孔特征。完成的夾具座的三維模型如圖1所示。

圖1　夾具座的三維模型

2　夾具座展開(kāi)圖

在鈑金件的制造過(guò)程中，需要對(duì)其進(jìn)行展開(kāi)，展開(kāi)后的結(jié)構(gòu)與尺寸是排樣、切割下料、沖壓成型等工序的重要依據(jù)。使用SolidWorks鈑金模塊中的展開(kāi)命令，能夠直觀地得到各工序的參數(shù)。根據(jù)展開(kāi)圖，可利用鈑金成形工藝設(shè)計(jì)知識(shí)來(lái)判斷毛坯形狀是否合理，可直接對(duì)不合理的結(jié)構(gòu)及尺寸進(jìn)行修改，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。

在SolidWorks中，可在鈑金零件窗口直接將鈑金零件的展開(kāi)圖輸出為DXF/DWG格式的文件，以便于某些軟件直接讀取，有利于鈑金零件的加工。輸出的對(duì)象包含幾何體、隱藏邊線(xiàn)、折彎線(xiàn)、草圖及邊界框等元素。若鈑金件為多實(shí)體，則在輸出時(shí)允許設(shè)計(jì)者選擇要輸出的鈑金實(shí)體。

具體操作如下：選擇特征設(shè)計(jì)樹(shù)中的“平板型式”，單擊右鍵選擇輸出到“DXF/DWG”，選擇保存類(lèi)型為“Dxf（*.dxf）”或“Dwg（*.dwg）”，確定輸出文件的位置及名稱(chēng)，點(diǎn)“確定”。夾具座的展開(kāi)圖如圖2所示。

圖2　夾具座展開(kāi)圖

3　夾具座的應(yīng)力仿真

夾具座在鋼筋對(duì)焊夾具的安裝和使用過(guò)程中，需要承受安裝在其上的其他零件如絲杠螺母、夾鉗等的重量以及在將這些零件安裝在夾具座上時(shí)螺絲的夾緊力，因此有必要對(duì)夾具座進(jìn)行應(yīng)力仿真，以判斷其強(qiáng)度是否滿(mǎn)足使用要求。

3.1預(yù)處理

按照如下的幾個(gè)步驟，完成夾具座應(yīng)力仿真分析前的準(zhǔn)備工作。

（1）新建一個(gè)算例并命名

在simulation菜單中選取“算例”，將之命名為“夾具座應(yīng)力仿真”。

（2）指定材料屬性

選擇simulation菜單下的“材料”，單擊“應(yīng)用材料到所有”。

展開(kāi)“SolidWorks materials”，然后從“鋼”的文件夾中選擇“AISI1045鋼”。

3.2夾具

此夾具座的應(yīng)力仿真分析為靜態(tài)分析。要完成靜態(tài)分析，必須對(duì)模型進(jìn)行正確約束，使之無(wú)法移動(dòng)。

在simulation study樹(shù)中，右鍵單擊“夾具”，選擇下拉選項(xiàng)中“固定幾何體”，轉(zhuǎn)動(dòng)夾具座，選擇要施加載荷的面。

在“類(lèi)型”工具箱中選擇“固定幾何體”，然后單擊“確定”，關(guān)閉“夾具”的propertyManager窗口。

定義完夾具后，就完全限制了模型的空間運(yùn)動(dòng)。因此，該模型在沒(méi)有彈性變形的情況下是無(wú)法移動(dòng)的。在有限元術(shù)語(yǔ)中，可以說(shuō)該模型不存在任何形式的剛體運(yùn)動(dòng)。

3.3外部載荷

轉(zhuǎn)動(dòng)模型，在夾具座的正面上加載1 000 N大小的壓力，具體過(guò)程如下：右鍵單擊“外部載荷”，選擇下拉選項(xiàng)中“力”，列出需要定義載荷的選項(xiàng)。在“類(lèi)型”選項(xiàng)中選擇“法向”，在單位一欄中確定單位制為“SI”，并在力值一欄中輸入“1000”，單擊“確定”。

3.4劃分網(wǎng)格

右鍵單擊“網(wǎng)格”并選擇“生成網(wǎng)格”，將采用“高”品質(zhì)的單元?jiǎng)澐帜Ｐ途W(wǎng)格。

軟件中默認(rèn)的網(wǎng)格密度指示滑塊處于滑條的中間位置，在“網(wǎng)格參數(shù)”下，“最大單元大小”和“最小單元大小”顯示為“5.72453 mm”，“圓中最小單元數(shù)”設(shè)置為8，“單元大小增長(zhǎng)比率”設(shè)置為1.5。我們將采用這些默認(rèn)設(shè)置來(lái)進(jìn)行初次分析。

進(jìn)入“高級(jí)”選項(xiàng)，取消選取“草稿品質(zhì)網(wǎng)格”，生成網(wǎng)格。

運(yùn)行算例“夾具座應(yīng)力仿真”，當(dāng)進(jìn)行分析時(shí)，可以通過(guò)解算器窗口監(jiān)視運(yùn)算過(guò)程。

4　仿真結(jié)果與分析

4.1應(yīng)力分布分析

圖3為應(yīng)力分布圖。由圖3可明顯看出，夾具座的兩個(gè)長(zhǎng)孔周邊部位所受應(yīng)力明顯大于其他部位，其中兩個(gè)長(zhǎng)孔之間的部分所受應(yīng)力最大，是夾具座受力的薄弱環(huán)節(jié)。

圖3　應(yīng)力分布圖

4.2位移分布分析

圖4為位移分布圖。由圖4可明顯看出，夾具座的兩個(gè)長(zhǎng)孔周邊部位受力后位移較大，其中兩個(gè)長(zhǎng)孔之間的部位受力后位移最大，達(dá)到8.95×10-2mm。圖中以大位移表示夾具座受力后的位移變化，是為了便于仿真分析者觀察，實(shí)際上位移變化非常小。

圖4　位移分布圖

4.3應(yīng)變分布圖

圖5為應(yīng)變分布圖。由圖5可知，夾具座受力后的應(yīng)變分布結(jié)果同位移分布類(lèi)似。夾具座的兩個(gè)長(zhǎng)孔周邊部位受力后變形較大，其中兩個(gè)長(zhǎng)孔之間的部位受力后應(yīng)變最大。圖中也是以大的應(yīng)變表示夾具座受力后應(yīng)變分布，以便于觀察。

圖5　應(yīng)變分布圖

5　夾具座的優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化目標(biāo)是在滿(mǎn)足夾具座整體強(qiáng)度性能要求的前提下，使該結(jié)構(gòu)的總體質(zhì)量盡可能小。這不僅能降低制造成本，而且還能減輕鋼筋對(duì)焊夾具的總體質(zhì)量，使用時(shí)省力輕松。

根據(jù)上述的夾具座靜力學(xué)分析，我們得到了夾具座在指定載荷下的應(yīng)力、應(yīng)變及位移，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于夾具座的結(jié)構(gòu)一定，其主要功能是承載鋼筋對(duì)焊夾具中的其他零件，因此在夾具座主要受力面承受應(yīng)力后不發(fā)生塑性變形的情況下，可適當(dāng)減小夾具座的厚度。夾具座厚度初始設(shè)計(jì)值為3 mm，現(xiàn)將其厚度值設(shè)為2 mm。

將此優(yōu)化設(shè)計(jì)在SolidWorks中進(jìn)行應(yīng)力仿真分析，重復(fù)前面步驟，結(jié)果證實(shí)此優(yōu)化設(shè)計(jì)可行。圖6為夾具座厚度為2 mm時(shí)，在其主要受力面加載1 000 N的力后的應(yīng)力圖。

圖6　夾具座厚度為2 mm時(shí)所受應(yīng)力圖

由圖6可以看出，夾具座所受最大應(yīng)力小于屈服力，未發(fā)生塑性變形。在保證夾具座整體強(qiáng)度性能的前提下，可大幅度減輕其質(zhì)量，在優(yōu)化前夾具座的質(zhì)量為722.21 g，優(yōu)化后夾具座的質(zhì)量為473.58 g，優(yōu)化后夾具座的總體質(zhì)量減輕了34.43%。

6　結(jié)束語(yǔ)

本文應(yīng)用SolidWorks2013三維造型軟件對(duì)鋼筋對(duì)焊夾具中的承載主體——夾具座進(jìn)行鈑金設(shè)計(jì)，得到了夾具座展開(kāi)圖以及下料尺寸、面積和質(zhì)量等參數(shù)，同時(shí)應(yīng)用SolidWorks Simulation對(duì)夾具座進(jìn)行了應(yīng)力仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明：夾具座的兩個(gè)長(zhǎng)孔周邊部位所受應(yīng)力、位移和應(yīng)變都較其他部位大，其中兩個(gè)長(zhǎng)孔之間的部位所受應(yīng)力最大，位移和變形也最參考文獻(xiàn)：

大。在滿(mǎn)足夾具座使用強(qiáng)度的前提下，優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果是夾具座的總體質(zhì)量大幅減輕，降低了制造成本。

［1］陳文琳.塑性成形工藝與模具設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：7-12.

［2］陳超祥，胡其登.SolidWorks零件與裝配體教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013：1-2.

［3］葉修梓，陳超祥.SolidWorks鈑金件與焊件教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：1-18.

【責(zé)任編輯黃艷芹】

Sheet Metal Design and Stress Simulation Analysis of Fixture Seat Based on Solid Works

HE Jiajia，ZHU Xianqi
（Institute of Mechanical and Automotive Engineering，Anhui Polytechnic University，Wuhu 241000，China）

Sheeet metal module in SolidWorks was used to design fixture seat——the bearing body of welded steel fixture，and the sheet metal expansion drawing was got；the process of the finite stress analysis of fixture seat based on SolidWorks simulation was discussed.Finally，the fixture seat was optimally designed.

SolidWorks；sheet metal design；stress simulation；optical design

TH12；TH391.

A

2095-7726（2015）09-0047-03

2015-05-07

賀甲甲（1988-），男，安徽阜陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向：模具CAD/CAM。

朱先琦（1966-），女，副教授，研究方向：液態(tài)成型工藝和模具。