外文翻译--利用有限元法预测夹具系统的工件变形 中文版

利用有限元法预测夹具系统的工件变形 Shane P. Siebenaler, Shreyes N. Melkote* 乔治 W伍德拉夫机械工程学院，技术，亚特兰大， GA 30332-0405 ，美国佐治亚理工学院 Received 25 August 2004； accepted 7 April 2005 Available online 23 May 2005 摘 要 装载工件夹具系统引起的工件变形的知识是重要的，以确保质量的一部分生产。合适的方法，准确地预测这种变形是必不可少的装置的设计和操作 。在这方面 ,有限元模型已被广泛应用于然而 ,这些研究普遍忽视遵守的作用夹具工件变形体。也缺乏知识是不同的有限元模型参数的影响工件变形。本研究采用有限元分析（ FEA）模拟工件夹具系统，并探讨影响遵守夹具工件变形体。此外 ,某些有限元模型参数对预测的影响精度还审查。FEA 模型预测工件变形和定位反应部队的实验验证，在 5 的实验数据显示协议，在这项研究中分析的工件夹具系统 ,结果发现 98 系统符合被捕获建模工件和夹具的接触技巧。余下的变形发生在其他夹具元件。各种夹具模型的精度和计算时间的权衡。 关键词： 夹具工件系统 ；有限元分析 ；变形 1. 介绍 分析装置的方法是必不可少的实践加工和经济学，尤其是能力模型。准确预测工件变形诱导夹具负载或预测未知的夹具工件。接触力是关键设计功能的装置。最常见的用于建模和分析方法。夹具 - 工件系统包括刚体方法 ,联系力学为基础的方法和有限元建模方法。这些建模方法 1-3 是无法通过的定义预测工件变形，因此不适宜夹具对零件质量的影响分析。 联系力学的方法 ,虽然从一个具有吸引力，计算努力的立场 ,零件可以是有限的，近似为弹性半空间。这种方法能够准确地预测未知，定位反应部队和本地化的接触变形 4 - 6。然而 ,他们不适用兼容的零部件。另一方面，有限元模型是非常强大的，会计能为所有符合和非线性系统中存在。虽然利用有限元模型已 beenwidely文献报道，受雇于在实践中 ,明确了不同的作用的认识 .预测精度对工件的夹具符合变形是缺乏。也是知识的影响 .不同的有限元模型参数对工件变形缺乏。 在应用中的一个共同的假设的有限元分析（ FEA）分析工件夹具系统是夹具 是完全刚性的，因为它是远远高于围追堵截。在许多应用中的工件。在大多数这种情况下 ,是仿照工件夹具的位置和节点联系被完全抑制。这一提法普遍被称为单点接 触 7-12 。夹具元件不允许帐户模型遵守夹具和忽略摩擦接触效果夹具和工件之间，其他研究人员 13-16 利用线性弹簧，近似夹具部件的刚度。然而 ,这种方法需要刚度测量或近似 ,添加时间和引入潜在的错误分析。 最近的工作 17-19 探索的表面使用接触单元。这种做法使摩擦为蓝本的影响。这种方法被用于本文报道的工作等。 17 使用有限元分析接触单元来模拟多接触夹具系统。然而 ,没有调查摩擦的影响啮合参数的结果 18,19。工作仅限于一个单一夹具 - 工件接触。更多重要的 ,这些研究中没有分析的 贡献夹具的身体符合整体变形。 本文探讨各种有限的影响元建模参数 ,如摩擦和网密度工件变形。除了造型工件和夹具的秘诀 ,是常见的的效果。如支持符合其他夹具元件块底座工件变形等也是检查工件变形的有限元分析预测实验验证和定位反应。 2夹具 - 工件系统 在这项研究中使用的工件夹具系统 .包括限制在一个 3-2-1夹具布局块空心的矩形截面壁厚。如图。 1。铝 6061- T6 （ EZ70 GPA,新西兰 .0.334）工件测量 153毫米， 127毫米， 76 毫米 .并有一个固定的壁厚（图 1 吨）从 6.至 10 毫米。两个夹子采用按 工件对六个定位：三个主平面上 ,上的两个辅助平面 ,第三平面上。球形和平面硬化 AISI 1144钢（ EZ206 GPA,新西兰 .0.296 ）与黑色氧化处理的夹具技巧被用来定位和夹紧工件。 3模型开发 有限元模型构建使用 ANSYSw.版本 5.7。实体模型组装的棱柱块夹具提示。系统中的所有组件为各向同性弹性体建模。夹具的秘诀显示图。 2 无论是平面建模作为气瓶 .（夹具和定位圆形接触面积的 60和 127 mm2的分别）或球（ 35毫米的曲率半径）结束上限。平面和球面提示轴向长度分别为： 6.4 和 10.2 毫米 , 10 节点的四面体 .元素SOLID92用于所有实体网格。 工件和夹具之间的接触进行了数值模拟使用二次曲面表面接触 .元素 TARGE170 和CONTA174 。恒定的静态摩擦系数是用来建立联系的属性在接口。到模拟地方的定位器 ,每个定位器尖端对面的表面接触被限制在所有三个平移度自由。适用于一个均匀分布的压力超过双方夹相反的接触面模拟所需的锁模力 工件变形 ,分析了随后的章节 ,被发现在两个点上工件。这两点正方向 DC1 和 DC2,如图。 3点的选择 .根据工件的位置，经历了因为要夹紧大部分变形。 3.1 摩擦系数的敏感性 Satyanarayana 18 进行的实验室测试 .相同的工件夹具系统发现平均静态和工件之间的摩擦系数为 0.18 （米）夹具的提示。在实验范围内的平均值从 0.15至 0.25 。为了测试摩擦的影响 .工件变形预测 ,有限元模型构建工件壁的厚度 6-10毫米在前面所述的夹具抑制。频谱从 0.15到 0.30 m的测试结合各种墙体的厚度。变形摘要结果列于表 2 。 3.1的平均差异在变形预测中被发现为一米的变化 0.05。这些结果表明，在小的变化的影响对工件变形的摩擦系数相当小。 3.2 治疗的主要平面定位 构 建了一系列车型确定主平面定位的影响。对于正确 .设计的 3-2-1布局，工件旋转阻止 ,三个主要采取的正常负荷平面定位工件的重量。摩擦这样一个小负载所产生的力量往往相形见绌更大的夹持负荷。进行了分析，确定是否必须在这些定位器的摩擦效应占建模方法。 两套边界条件被应用到块与壁厚 7,8,9毫米。第一组 ,案件一 ,包括所有三个主要的飞机受到定位 .先前所描述的表面到表面的接触边界条件。被指定为 M 值 0.18 。 第二个配置 ,案例 B,删除了所有三主平面定位，只是抑制了在翻译的工件表面底部 z方向。 表 3给出了一个结果摘要。有限元 分析结果显示，预测变形之间的不同两个边界条件设置由平均只有 1.31 。这小的冲击，使有限元分析的底部定位无主平面定位将建造的模型从而节省了大量的计算时间。这个（案例 B ）边界条件设置使用的只有 77和69 。完成平面模型的计算时间和球技巧 ,分别遗漏的三个加上主平面与制约的底部定位 .工件表面是用于配置随后模型。应当指出，这逼近未必有效加工负载时还考虑到。 4网格密度的影响 虽然一些公开发表的文献使用的有限元分析分析工件变形 ,严谨的学风的影响夹具，工件建模的网格密度符合缺乏。在确定的一个关键因素本次调查 的适当有限元模型是选择理想的网格密度。可能会产生一个粗网格不准确的结果。然而 ,可能是太细网状不必要的以及计算成本为本研究 ,SMRT 的智能网格功能 ANSYSw 利用构建了坚实的网状。离散值从 1 （最密集的网状）至 10 （至少密集目）被分配到各种固体部分。宽组合夹具和工件网格谱 .大小来确定最佳网目尺寸。为了测试结果的准确性 ,变形工件 ,DC1和 DC2,在两个夹子的位置是计算。 实验结果被用来作为基准评估模拟结果的有效性。测试夹具与尺寸相同的模型构建。这项研究的工件的壁厚均匀 .7毫米。夹具元件固定 15毫米 .厚钢板底座 。上螺纹夹具提示主要飞机直接被拧成底座。 拧入钢支撑块等定位在打开每个固定在底板上，通过四个螺栓两个定位销压接。 两个夹子 ,同样被固定在通过钢支撑块底板 ,驱动由液压手动泵。钳驱动的顺序影响工件的挠度为由 otherresearchers显示 20,21，作者在以往的工作 22。然而 ,在目前的研究 ,两个夹子同时由一个单一的液压泵驱动。被视为驱动倍差异的两个夹子是微不足道的。在每一个点的变形使用电涡流探头测量。改变目标补丁的磁性检测通量传感器数据转换为位移值采集系统。超过五年的平均变形结果表 4给出每个尖端和负 载对试验。测量标准偏差为 0.43毫米。 5和 6之间的百分比误差 .实验测量值和有限元分析结果平面和球形尖端案件 ,分别。图 250钳 1 N 在负载的情况下，球形和平面 .提示给每个墙厚度测试。类似的趋势被发现在 2钳变形，以及为加载 350 N。作为描绘在图 ,工件的网格密度对模型精度的主导作用。粗糙的网格密度可产生高达 20 的错误结果。然而 ,图中可以观察。 6影响结果的准确性夹具尖上的网格密度要少得多。 工件和夹具 SMRT的密度水平平面的情况下 ,提供最准确的结果 ,为五，两 ,分别。没有有限元网格密度比这个组合改变预测的 变形。对球形尖端案 ,1 SMRT的网状 6个密度水平工件和夹具元件 waschosen 。表 5 总结了这些结果。由于表表演 ,有限元模型提供解决方案指定的网格密度小于 5 的误差水平。选定的网格密度，适用于所有随后的分析。元素属性摘要选定的网格密度水平相对应的是载于表 6。 5验证选定的网格参数 一般的有限元网格的有效性以上参数获得工件夹具系统成立由申请到一个相同的网格指引不同的负载壁厚组合。相同的在第 4节被用作实验装置。块的壁厚是 8毫米和375列印夹紧负荷被利用。表 7给出了相应的实验有限元分析结果。正如上 表所示 ,有少有限元分析与实验值之间的误差超过 5 ,从而确立了选定的网格充足为给定的工件夹具系统的参数。 6反应力预测 另一点是利益之间的反作用力 .定位和工件。反应部队的知识重要的是确保系统的稳定和平衡。使用所示的设置了一系列的实验运行图 4 ，以确定在 1-3定位器反应部队。压力敏感（富士前级）薄膜被用来在每个三个定位工件的接触，以产生一种颜色烈度图。个人图像映射到 .密度阵列通过回归分析，以确定接触压力 23 。印记的地区被发现使用照片编辑程序 ,导致的决心反应部队。网格参数在第 5 和建立的 0.18were 摩擦系数用来预测反应部队，在同一地点。表 8给出了分析结果。可以看出，从表有限元分析的预测是在 5 的实验值，从而进一步验证模型。 7夹具身体遵守的影响 在前面的章节中所描述的模型只用了考虑到工件和夹具的秘诀。最夹具公布的分析认为是刚性夹具相比，由于其相当高的刚度工件。从而 ,这些研究没有模拟夹具本身并不能占到任何的变形效果夹具元件。本文 ,然而 ,寻求探讨夹具遵守的贡献的整体工件变形预测建模各种夹具要素。组件除了接触提示仿照夹具支撑块 ,底座 ,和钳支持所示图 7。一系列车型纳入构建这些组件的各种组合。 支持 块和底座构造坚实的棱形块匹配那些在尺寸物理设置。支持块有尺寸 63.5 毫米， 50.8毫米， 73.8毫米。钢底板尺寸 305毫米， 305毫米， 15毫米。平面和球形尖端夹具元件尺寸相同前面提到的文件。夹具提示建模为固定支撑块通过的 vglue 命令的ANSYSw 。同样是支持块 .贴于底板和螺栓和销钉孔 werenot 蓝本。模型，包括底板使用。 vglue 命令追究主要平面定位元素板。对于包括支持块模式，但不是底座 ,块的底面限制自由，所有这三个平移度模拟被牢牢地固定在底板上的块。为蓝本的固体圆柱钳支持气瓶只能沿轴的翻译夹紧力 。所产生的夹紧压力液压泵是仿照作为一个均匀分布整个区域的压力钳背面。 FEA模型工件壁的厚度 7,8,和 9毫米，用于分析。加载条件使用表 5中的相同。工件变形也被评估在相同的位置网格密度的研究。平面尖端案件的结果在表 9给出。 2的预测误差 ,平均超过负荷条件和变形位置 ,是给予包括各种夹具元件的有限元分析模型。表中还给出了计算时间 .含夹具的技巧和模型相对工件。这是显而易见的，造型的额外个别夹具元件提高了精度有限元只有轻微。完整的夹具模型显示模拟结果的显着改善 ,屈服结果在实验值的 1 。然而 ,完整的模型需要 653 的计算时间需要的只是工件和模型夹具的提示。对于球形提示夹具 ,建模夹具元件没有改善的准确性结果。 额外的夹具元件建模了更准确地反映夹具，工件为平面接触的情况下的相互作用。变形灯具本身 ,而小的比较工件 ,影响整体系统符合。有限元分析表明， 2.4 的测量变形。 实际上变形的夹具。仿真结果表明：遵守夹具的 22.7 发生在提示其余 77.3的支持系统。从而 ,原模型只包含工件和夹具提示捕获 98.1 的整体系统符合。 7.1 支持块遵守的意义 进行了分析，看到在如何改变夹具遵守改变整体系统的初始配置夹具 模型以及作为案件的支持块有不同的深度 e,被运行。最初的深度 ,D0的 ,如图。 8。图 9地块的百分比在发生系统变形夹具本身的各种归 D 的值，这将是预计更薄块量比较大的偏转的 ,把更多的变形夹具。这假设被证实的阴谋。 8结论 本文侧重于影响因素利用有限时，工件变形的预测有限元方法。特别 ,它分析的影响如接触不同的有限元模型参数摩擦 ,网格密度和夹具机构遵守有关预测工件变形。 实验验证。模拟研究表明，模型工件和夹具的接触面到面的基础上 .接触单元可以预测工件变形和反应部队，在实验值的 5 。网密度的工件被认为是更重要 的模型的准确性比夹具尖端密度。为夹具本文分析了工件系统 ,所有超过 98 变形系统可以捕获包含模型。 工件和夹具的提示。余系统的变形，是目前在夹具本身。 遵守捕捉建模整个夹具身体。然而 ,一个完整的夹具模型需要超过 6倍的计算时间。 9.致谢 这项工作是由部分由卡特彼勒技术中心和一个从格鲁吉亚的配对补助金研究联盟。 10.参考文献 1 Y.C. Chou, V. Chandru, M.M. Barash, A mathematical approach to automatic configuration of machining fixtures: analysis and synthesis, ASME Journal of Engineering for Industry 111 (4) (1989) 299306. 2 E.C. DeMeter, Restraint analysis of fixtures which rely on surface contact, ASME Journal of Engineering for Industry 116 (1993) 207 215. 3 M.Y. Wang, D.M. Pelinescu, Contact force prediction and force closure analysis of a fixtured workpiece with friction, ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering 125 (2) (2003) 325332. 4 R.P. Sinha, J.M. Abel, A contact stress model for multi-fingered grasps of rough objects, Proceedings of the IEEE Conference on Robotics and Automation 1990； 10401045. 5 G. Xiuwen, J.Y.H. Fuh, A.Y.C. Nee, Modeling of frictional elastic fixtureworkpiece system for improving location accuracy, IIE Transactions 28 (1996) 821827. 6 J.F. Hurtado, S.N. Melkote, A model for the prediction of reaction forces in a 3-2-1 machining fixture, Transactions of NAMRI/SME 26 (1998) 335340. 7 J.D. Lee, L.S. Haynes, Finite element analysis of flexible fixturing system, ASME Journal of Engineering for Industry 109 (2) (1987) 124139. 8 R.J. Menassa, W.R. DeVries, Optimization methods applied to selecting support positions in fixture design, Transactions of ASME, Journal of Engineering for Industry 113 (1991) 412 418. 9 M.R. Rearick, S. Hu, S. Wu, Optimal fixture design for deformable sheet metal fixtures, Transactions of NAMRI/SME 21 (1993) 407 412. 10 E. DeMeter, Fast support layout optimization, International Journal of Machine Tools and Manufacture 38 (1998) 12211239. 11 Y.J. Liao, S.J. Hu, D.A. Stephenson, Fixture layout optimization considering workpiecefixture contact interaction: simulation results, Transactions of NAMRI/SME 26 (1998) 341346. 12 S.L. Xie, S.J. Hu, W. Li, A. Sudjianto, Fixture configuration design using a computer experiment, Proceedings of the ASME, Manufacturing Science and Engineering 11 (2000) 133140. 13 J. Abou-Hanna, K. Okamura, Finite element approach to modeling particulate bed fixtures, Journal of Manufacturing Systems 11 (1992) 112. 14 P.C. Pong, R.R. Barton, P.H. Cohen, Optimum fixture design, Proceedings of the Second Industrial Engineering Research Conference, 1993 pp. 610. 15 P. Chandra, S.M. Athavale, S.G. Kapoor, R.E. DeVor, Finite element based fixture analysis model for surface error prediction due to clamping and machining forces, Proceedings of ASME, Manufacturing Science and Technology, MED 6.2 (1997) 245252. 16 J.H. Yeh, F.W. Liou, Contact condition modeling for machining fixture setup processes, International Journal of Machine tools and Manufacture 39 (1998) 787803. 17 Y.G. Liao, R. Khetan, R. Stevenson, An experimental investigation into the deflection of a fixtureworkpiece system, Transactions of NAMRI/SME 28 (2000) 413418. 18 S. Satyanarayana, Fixtureworkpiece contact modeling for a compliant workpiece, MS Thesis, Mechanic