劉春， 安海明， 張洪瑞， 王巍

（沈陽航空航天大學航空制造工藝數(shù)字化國防重點學科實驗室，沈陽 110136）

基于ANSYS的高溫換模裝置夾持臂的優(yōu)化設計

劉春， 安海明， 張洪瑞， 王巍

（沈陽航空航天大學航空制造工藝數(shù)字化國防重點學科實驗室，沈陽 110136）

通過ANSYS有限元分析法對工作在高溫環(huán)境下的機械構(gòu)件的實際工作狀態(tài)進行模擬仿真，獲取溫度場下構(gòu)件狀態(tài)數(shù)據(jù)，從而可以進行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析、變形與承載應力優(yōu)化、變形與局部應力優(yōu)化和變形與材料用量優(yōu)化等多約束條件耦合優(yōu)化設計，實現(xiàn)了設計-仿真-再設計的先進設計優(yōu)化流程，改變了傳統(tǒng)的高溫機械設計理念，大大提高了工作質(zhì)量和效率，降低了成本，形成了具有一定通用性的高溫結(jié)構(gòu)件設計的新方法。

夾持臂；高溫；ANSYS；優(yōu)化設計

0 引言

在高溫機械設計中，由于機械構(gòu)件工作在高溫環(huán)境，材料昂貴，制造工藝復雜，使得高溫承力構(gòu)件設計時考慮的因素較多，設計工作比較復雜和困難。在有限元軟件出現(xiàn)之前，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計需要做大量的計算，而高溫環(huán)境對于構(gòu)件的影響只能在實驗或使用中摸索并進行改進，這樣的設計方式所需的時間、金錢、人力和成本都十分高昂?，F(xiàn)在，我們可以采用有限元軟件，如ANSYS有限元分析軟件進行優(yōu)化設計，使得傳統(tǒng)設計流程，即：設計-實驗-再設計發(fā)生了根本性的變化[1]。利用有限元分析法對構(gòu)件的實際工作狀態(tài)在計算機上進行模擬仿真，不再需要制造實物和物理實驗，實現(xiàn)了設計-仿真-再設計的先進工作流程。這樣大大提高工作效率，降低成本，解決傳統(tǒng)設計方法中存在的問題。

目前，對于有限元的應用愈來愈多，參考國內(nèi)外文獻可以發(fā)現(xiàn)，有限元大多是被用于普通機械設計的分析計算與設計，江蘇特種設備安全監(jiān)督研究院LI Yang[2]對低溫絕熱氣瓶頸管進行了研究，利用ANSYS對低溫絕熱氣瓶頸管進行熱應力分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，但文章的重點在所取得的低溫絕熱氣瓶頸管優(yōu)化成果上，沒有在方法上多加闡述。國內(nèi)少有類似高溫結(jié)構(gòu)件優(yōu)化設計的文獻，河南質(zhì)量工程學院的李德明[3]利用SolidWorks和ANSYS對機床夾具進行了快速優(yōu)化設計，介紹了常溫下利用ANSYS的零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。用于鈦合金熱成型的換模裝置的高溫模具夾持臂構(gòu)件[4]，其結(jié)構(gòu)較為復雜，工作在高溫環(huán)境，而且材料昂貴，這樣的高溫承力構(gòu)件設計較為困難。本文將以該高溫夾持臂構(gòu)件設計為例，介紹借助于ANSYS有限元軟件進行夾持臂設計的優(yōu)化過程，包括初始設計方案建立、熱-結(jié)構(gòu)耦合分析、變形與承載應力優(yōu)化、變形與局部應力優(yōu)化和變形與材料用量優(yōu)化等過程，從而展示了一種利用有限元技術(shù)進行高溫機械構(gòu)件優(yōu)化設計的新方法[5-6]。

1 夾持臂初始結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)換模裝置中夾持臂的功能以及與其它零部件的配合情況對夾持臂進行初始設計[7-8]。根據(jù)工作情況將夾持臂設計為雙懸臂式，由于模具開槽不能過大，所以在懸臂梁式的夾持臂前段加一凸緣作為承載面，如圖1所示。換模機械裝置的夾持機構(gòu)[9]由驅(qū)動系統(tǒng)和一對夾持臂組成，夾持臂夾持模具，驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動夾持臂進行直線運動。

圖1 高溫模具夾持機構(gòu)

夾持臂是換模機構(gòu)與高溫模具直接接觸的承力構(gòu)件。如圖1所示在模具兩側(cè)開槽，由驅(qū)動機構(gòu)[9]驅(qū)動夾持臂到指定位置，然后由夾持臂夾持模具進行移動。夾持臂工作需要承受高溫高載，因此該零件材料選用高溫合金。高溫合金件加工一般采用精密鑄造[10]，加工余量小或者不留加工余量，而高溫合金價格較為昂貴，在設計上不僅要滿足零件的強度與剛度要求，還要盡量節(jié)約材料。因此在設計階段應盡可能地對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，在滿足其強度剛度要求的情況下盡可能地節(jié)約材料。

模具重量為2.5 t，即單臂承載12.5 kN,高溫合金在溫度800℃時屈服極限為800 MPa.夾持臂是熱成型換模機構(gòu)的核心構(gòu)件，考慮到零件工作的安全因素，零件所受應力低于400 MPa,變形小于10 mm,設計難度較大。夾持臂初始設計及其受載如圖2所示。

圖2 夾持臂視圖及其受載

夾持臂截面視圖如圖2中A-A剖視圖所示，夾持臂前段截面為不規(guī)則幾何形狀，由于夾持臂截面不規(guī)則其應力不容易計算，故使用ANSYS對其進行結(jié)構(gòu)分析計算，分析較為薄弱的夾持臂前段應力分布和變形情況。通過ANSYS分析得出結(jié)論，夾持臂尖端位移較大（達到14 mm），但主體大部分位移小于10 mm，夾持臂前段主梁所受應力較小，但用于承載模具的承載面所受應力較大，較大一部分超過641 MPa，因此，在接下來的優(yōu)化設計要從兩個方面進行，減小夾持臂前段的位移和降低承載面所受的應力。

2 夾持臂優(yōu)化設計

2.1 夾持臂的熱-結(jié)構(gòu)耦合分析過程

在夾持臂的優(yōu)化設計中需要對夾持臂進行多次分析計算，根據(jù)夾持臂的工作環(huán)境和承載情況，利用ANSYS對夾持臂進行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，并在分析計算的基礎上對其進行調(diào)整和優(yōu)化，因每次優(yōu)化除夾持臂結(jié)構(gòu)有所調(diào)整外其分析過程基本相同，為避免在接下來每次優(yōu)化中的重復闡述，所以在此簡述其分析過程[11]。

圖3 材料屬性設置

首先建立夾持臂的有限元模型，將建好的夾持臂三維立體模型導入ANSYS軟件，設置其單元類型和材料屬性，對不同溫度下其材料性能（如彈性模量、泊松比、導熱率和熱脹系數(shù)）進行設置[12]，如圖3所示。

設置參數(shù)后對其進行網(wǎng)格劃分，生成有限元模型。對建好的夾持臂有限元模型施加溫度載荷。將環(huán)境溫度設為20℃，在夾持臂與高溫模具接觸的表面施加溫度載荷，計算其溫度分布。然后對其施加約束和載荷，并且將之前溫度載荷的計算結(jié)果文件作為載荷施加給有限元模型，對其進行熱結(jié)構(gòu)耦合分析[13-15]。通過分析結(jié)果，對夾持臂進行結(jié)構(gòu)上的調(diào)整與優(yōu)化。

2.2 夾持臂變形量和承載面應力優(yōu)化

根據(jù)對初始設計的分析，夾持臂存在兩方面的問題：承載面所受應力較大；夾持臂主梁前段變形略大。

夾持臂的承載面結(jié)構(gòu)較為薄弱，為減小承載面彎曲應力的積累，將承載面由連續(xù)改為間斷面。為了減小承載面的彎曲應力，適當增大夾持臂前段的截面積，夾持臂為懸臂梁結(jié)構(gòu)，因此將其修改為變截面梁，在夾持臂的外側(cè)設計一斜切面，使其截面由固定端到自由端逐漸變小。此外，由于夾持臂夾主懸臂梁所受應力較大，所以在優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計的同時減少了材料用量。修改后對其進行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析。圖4和圖5為夾持臂ANSYS軟件分析計算的節(jié)點位移云圖和等效應力云圖。

圖4 節(jié)點位移云圖

圖5 等效應力云圖

由圖4分析結(jié)果可以看出，由于承載面間斷，夾持臂前段變形有所增大，經(jīng)過變形的積累夾持臂尖端位移超過30 mm。夾持臂所受應力大部分區(qū)域有所降低，但夾持臂主梁靠近承載面的局部應力顯著升高。由以上分析結(jié)果可以得出結(jié)論，將夾持臂連續(xù)的承載面修改為間斷面減小了承載面的彎曲應力。但承載面分段后，相當于使夾持臂的截面積一定程度地減小，因而夾持臂彎曲變形增大，而承載面與夾持臂主梁連接的面積減小使承載面與夾持臂的連接處所受應力顯著增大。所以接下來對承載面進行一定的調(diào)整，取一個折中的方案將承載面由分割為6份變?yōu)?份，這樣既可以適當減小承載面的彎曲應力，也可以減小承載面與夾持臂連接部位的局部應力和夾持臂的變形量。

2.3 夾持臂變形量和局部應力優(yōu)化

根據(jù)上述分析對夾持臂結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，減小夾持臂的位移量和承載面與夾持臂主梁連接處的應力。將承載面的分割由6份變?yōu)?份，這樣雖然會一定程度增大夾持臂承載面的彎曲應力，但可以起到減小局部應力和減小夾持臂變形的雙重效果，對其進行ANSYS有限元分析，其分析結(jié)果如圖6～圖7所示。

圖6 節(jié)點位移云圖

圖7 等效應力云圖

由總變形圖可以看出，夾持臂變形明顯減小，大部分位移量都在10 mm以下，只有夾持臂最尖端位置超過10 mm，基本上滿足設計要求。由其變形云圖可以看出，夾持臂水平和鉛垂方向的位移都基本上限制在10 mm以內(nèi)，僅僅在夾持臂尖端非常少的部分超過10 mm，可以忽略不計，因此僅從變形量上來講該方案已經(jīng)滿足設計要求。

由等效應力云圖可以看出，夾持臂前端承載部分應力大部分在500 MPa以下，所受應力有明顯降低，承載面與夾持臂主梁連接部位應力也明顯降低?？紤]安全因素，設計要求最好在400 MPa以下，因此還未滿足設計要求，但是結(jié)果已經(jīng)非常接近,只要將截面稍微增大即可滿足要求，因為夾持臂前段和后段的優(yōu)化沒有干涉，因此在后面對夾持臂后段的優(yōu)化中對其做出調(diào)整。

圖8 節(jié)點位移云圖

圖9 等效應力云圖

圖10 等效應力云圖

前面對夾持臂的前段逐步進行了優(yōu)化，并且基本達到力設計要求。夾持臂后半部分由圓孔與換模機械手的其他機構(gòu)配合作為夾持臂的固定端，其強度滿足設計要求，但是從節(jié)約材料的角度上來看，明顯有較大的優(yōu)化空間，因此接下來對夾持臂后半部分進行優(yōu)化設計。

2.4 夾持臂變形與材料用量優(yōu)化

經(jīng)過前兩步的優(yōu)化，夾持臂前段的應力和變形基本達到要求，因夾持臂前段和后段的優(yōu)化沒有干涉，在后面對夾持臂后段的優(yōu)化過程中對其截面積作出調(diào)整以滿足設計要求。因高溫合金價格較為昂貴，對夾持臂后段挖凹槽減小材料的使用量。夾持臂前段截面適當增大，靠近固定端的后段不與機構(gòu)接觸的承載較小位置進行挖凹槽處理，這樣在優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)的同時節(jié)約材料。對其進行ANSYS有限元分析，其分析結(jié)果如圖8～圖10所示。

對夾持臂進行挖凹槽處理，兩側(cè)凹槽對稱，深度都為25 mm。由圖9可以看出，夾持臂遠離模具的一側(cè)應力值較低，大部分區(qū)域應力在319 MPa以下，僅有與機構(gòu)接觸的圓孔表面及附近應力值較高，但基本控制在600 MPa以內(nèi)。

靠近模具的一側(cè)應力絕大部分在600 MPa以上，并且有很多部位應力值超過材料的抗拉強度800 MPa，如圖10。對比夾持臂兩側(cè)的應力狀態(tài)可以得出結(jié)論，夾持臂主要的承力部位為靠近模具的夾持臂內(nèi)側(cè)。此外，由于夾持臂后段強度不足，變形嚴重，導致夾持臂前段位移加大。

圖11 節(jié)點位移云圖

圖12 等效應力云圖

圖13 等效應力云圖

圖14 最終設計結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上分析，經(jīng)過多次對夾持臂后段凹槽深度進行調(diào)整，靠近模具的一側(cè)受載荷較大，深度減小到10 mm，遠離模具的一側(cè)承受載荷很小，將其深度增加到35 mm（夾持臂兩側(cè)凹槽深度為經(jīng)多次調(diào)整，通過ANSYS有限元分析選擇出較為合適的數(shù)值）。經(jīng)ANSYS有限元分析，其分析結(jié)果如圖11所示。由圖11可以看出，位移的最大值為9.04 mm，因此該方案滿足設計要求。

由夾持臂兩側(cè)的應力分布云圖12和圖13對比可以看出，夾持臂遠離模具的一側(cè)應力基本在150 MPa以內(nèi)，而靠近應力的一側(cè)絕大部分應力也在150 MPa以內(nèi)，只有與模具接觸的夾持臂前端應力值略高，但大部分區(qū)域應力在150～400 MPa之間，僅有與模具接觸表面附近少部分區(qū)域應力達到600 MPa,此處表面溫度為800℃，材料的抗拉強度800 MPa，因為接觸表面面積基本確定，接觸表面應力基本不變，接觸表面及其附近應力值稍大無法避免，因此該方案可以說滿足設計要求。最終結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方案如圖14所示。

最后，在此方案的基礎上，對夾持臂模型進行倒圓角處理。因為對模型進行倒圓角處理會增加有限元分析的復雜性，因此在上面一系列的分析方案中夾持模型沒有進行處理，而是在最后得出優(yōu)化方案后才進行倒圓角處理，并且利用ANSYS進行最后驗證。倒圓角能夠使模型較為尖銳的棱角光滑過渡，消除安全隱患，同時也可以防止應力集中消除危險點。

3 結(jié)論

在最初設計方案的基礎上，我們利用ANSYS有限元分析軟件對夾持臂的設計方案進行了3次優(yōu)化，最終取得了較為理想的設計方案。相比傳統(tǒng)的機械設計流程，沒有經(jīng)過費時、費力且昂貴的實物實驗，利用ANSYS有限元分析軟件通過數(shù)值分析完成了夾持臂的優(yōu)化設計，在滿足結(jié)構(gòu)要求的基礎上，有效地減少了材料的使用量。在優(yōu)化過程中，每一次的優(yōu)化都建立在前一方案的ANSYS有限元分析結(jié)果上，利用這樣的方法，在優(yōu)化過程中目的明確，修改恰當，經(jīng)過3次優(yōu)化就將夾持臂的設計方案優(yōu)化到一個較為理想的狀態(tài)。通過高溫機械構(gòu)件設計實例，展示了借助于有限元及仿真技術(shù)實現(xiàn)設計方案優(yōu)化的基本方法和步驟，體現(xiàn)了該設計方法的優(yōu)越性。

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Optimization Design of High Temperature Mold Clamping-arm Based on ANSYS

LIU Chun,AN Haiming,ZHANG Hongrui,WANG Wei
（KeyLaboratoryofFundamental Science for National Defense ofAeronautical Digital ManufacturingProcess,ShenyangAerospace University,Shenyang110136,China）

The actual working condition of mechanical components working in high temperature environment is simulated by ANSYS finite element analysis method,and the data of component state under temperature field can be obtained,which can be analyzed by thermo-structural coupling,deformation and load stress optimization,deformation and local stress optimization and deformation,and material dosage optimization.The design process of designsimulation-redesign is realized,which changes the traditional high-temperature mechanical design concept and greatly improves the quality and efficiency of work.Cost is reduced,and a new method with a certain commonality high temperature structural design is formed.

clamping arm;high temperature;ANSYS;optimization design

TP 391.7

A

1002－2333（2018）01－0004－04

（編輯黃 荻）

劉春（1960—），男，博士，教授，碩士生導師，主要研究方向為飛行器數(shù)字化制造技術(shù)，飛行器制造工藝與裝備、飛行仿真可視化與動力學建模技術(shù)等；

安海明（1991—），男，碩士研究生，主要研究方向為飛及數(shù)字化制造技術(shù)，飛行器制造與工藝裝備。

2017-03-22