对装配线线体Pro - E参数化设计及ANSYS有限元分析 - 图文-

1、文章编号:1001-2265(200703-0020-03收稿日期:2006-08-17作者简介:林巨广(1963,男,安徽六安人,合肥工业大学机械与汽车工程学院教授,在职博士,主要从事先进制造装备的研究,(E -mail fang 2weinm 。对装配线线体Pr o /E 参数化设计及ANSYS 有限元分析林巨广,刘波(合肥工业大学机械与汽车工程学院,合肥230009摘要:论述了应用Pr o /E 软件进行汽车装配线线体的三维建模及参数化设计方法。实现了机械零件装配图的快速造型和重构。利用Pr o /E 与ANSYS 接口技术和ANSYS 软件,对Pr o /E 中设计的具体装配线线体在一

2、定载荷作用下的应力状态进行了有限元仿真分析。研究结果对装配线线体的开发、改进和优化装配线线体的设计具有一定的参考价值。关键词:装配线线体;三维建模;参数化设计;有限元应力分析中图分类号:TH165+.1文献标识码:AParam etr i c D esi gn and F i n ite Ele m en t Ana lysis of A sse m bly L i n eL I N Ju 2guang,L I U Bo(School ofMechanics and Aut omobile Engineering,Hefei University of Technol ogy,Hefei 23

3、0009,China Abstract:The method of 3D modeling and parametric design of aut o asse mbly line in Pr o /E s oft w are is dis 2cussed .It realize quickly model of mechanical part .U sing the interface technol ogy bet w een Pr o /E and ANSYS s oft w are,the si m ulati on analysis of stress status of the

4、asse mbly L ine designed in Pr o /E under a certain l oad is made .The research results has reference value t o gear model library devel opment and t o the op ti m izati on design of the asse mbly L ine .Key words:asse mbly line;3D modeling;para metric design;finite ele ment stress analysis0引言近几年来随着

5、汽车工业的迅速发展,伴随着汽车装备的发展,反之亦然。汽车装配线线体是汽车装备中应用较为广泛的一种装配件。传统装配线线体的设计采用的是类比、经验设计,有时即使做一些强度校核,也只是用很粗糙的方法,在样机制造出来之前,无法知道其设计的可靠性,因此,必须要通过制作样机,进行检测,才能确知设计的合理性。如果设计中某个参数不合理,只有等到下次制作时,才能进行修改。因此传统的装配线线体的设计存在设计周期长、效率低的缺点。本文利用Pr o /E 软件建立了装配线线体的参数化设计模型。同时,利用Pr o /E 和ANSYS 接口,把所建立的三维实体模型导入ANSYS,对装配线线体在一定载荷条件下的应力分布状态

6、进行了实例分析和研究。本文的研究结果对于装配线线体的参数化和系列化设计、对于装配线线体模型库的开发、及时发现设计缺陷,优化设计和提高设计效率具有重要意义。1装配线线体的介绍本文论述的为汽车装配线线体的参数化,首先对装配线线体进行一下介绍,它主要有托盘小车组件、轨道组件、转向机构、立柱护板、转向机构护板、工具箱、定位系统、返回拉杆组件、推杆组件和按钮等附件构成。在这次分析中我们对其中的一些关键零件进行参数化,对一些通用的零件实行标准化。这样可以简化问题的研究,也更符合参数化的思想。我们通过对线体的分析,确定了小车、立柱、转向座、转向架、立柱护板、转向机构护板和工具箱等七个零件为参数化驱动零件。0

7、2设计与研究组合机床与自动化加工技术2装配线线体参数化模型的构建2.1概述1Pr o /E 是美国参数技术公司(Para metric Technol ogy Cor porati on 开发的CAD /CAE /CAM 软件。其全新的概念几乎成为当今全世界机械CAD /CAE /CAM 领域的一面旗帜和标准,尤其是第3代产品Pr o /E wildfire版本,由于具有强大的参数化特征造型功能而受到企业界的一致认同。同时,该软件与有限元分析软件接口较好,因而已成为国内应用最为广泛的三维建模软件。本文通过Pr o /E 中的二次开发工具族表(Fa m ily Table 2创建了装配线线体的参

8、数化模型,如果需要修改模型,只要在族表中添加参数,并在打开组件模型时选择该实例,就可以得到不同的三维装配线线体模型,进而为装配线线体模型库的开发提供基础。2.2装配线线体参数化模型的构建过程如下(1创建装配线线体的所有零件的基本实体及其特征并生成三维实体模型,创建装配线线体的组件模型,在其中添加装配所有零件。(2对上面分析的要进行参数化的零件创建族表,并在族表中添加参数,在组件模型同样创建族表,不过在其中添加的是零件族表中的实例。(3创建完成后,该装配线线体模型就形成了参数化驱动模型,以后只要在零件族表中添加参数和在组件族表中添加实例,并在下次打开组件模型时选择该实例,就可以自动生成三维装配线

9、线体实体模型,从而减少设计人员的重复性劳动,提高设计效率。添加完各个族表零件到总装配图的族表后的界面如图1所示。所创建的具有参数化特征的装配线线体模型如图2所示 。图1 总装配图的族表界面图2装配线线体三维实体模型(4将构建后的装配线线体模型保存为“I GES ”格式,利用Pr o /E 与ANSYS 软件的接口技术,ANSYS 软件可以自动识别和导入I GES 三维实体数据格式,这样,就把Pr o /E 中构建的装配线线体模型顺利导入ANSYS 中,直接对其进行有限元仿真分析。接下来利用ANSYS 软件对构建的装配线线体模型在一定载荷作用下的应力状态进行有限元仿真分析。3ANSYS 有限元分

10、析3将Pr o /E 中构建的具体装配线线体的三维实体模型利用“I GES ”格式导入ANSYS 后,根据实际装配线线体输送零件中承受的载荷状态,对装配线线体的应力场进行有限元仿真分析,确定装配线线体的最大应力值和位置,分析所设计的装配线线体结构参数及选用的材料是否满足使用要求,并以此为基础实现装配线线体的优化设计。为了研究问题的方便和对计算机的性能要求,我们选择了线体的一段进行分析。其分析过程如下:(1单元类型的选择确定有限元单元类型对有限元分析来说非常重要,单元类型的选择不仅影响到网格的合理划分,而且关键是对求解的精度影响很大。考虑到装配线线体的复杂程度、精度要求以及计算求解时间等实际因素

11、,采用Solid187为有限元网格单元。Solid187是空间实体单元,适用于曲线边界的建模,具有塑性、蠕变、应力强化、大变形和大应变功能。该单元有10个节点,每个节点有X 、Y 和Z 方向3个平动自由度。(2添加材料常数选用线体的材料为Q235钢,弹性模量E =200000MPa;泊松比u =0.3。122007年第3期设计与研究(3划分网格采用智能网格划分工具“S martSize ”。S martSize 是ANSYS 提供的强大的自动网格划分工具,使用S mart 2Size 有利于在网格生成的过程中生成形状合理的单元如图3所示 。图3线体的网格划分结果(4施加位移约束施加边界约束条件

12、是有限元分析过程的重要一环。边界条件是根据物理模型的实际工况在有限元分析模型边界节点上施加的必要约束。边界约束条件的准确度直接影响有限元分析的结果。在有限元分析中确定边界条件一般应做到以下几条:要施加足够的约束,保证模型不产生刚体位移;施加的边界条件必须符合物理模型的实际工况;力求简单直观,便于计算分析。本文对装配线线体采取静力分析,分别对X 、Y 、Z 三个方向上的平动和转动自由度进行约束。(5施加约束载荷考虑到工人在压装零件时的误操作,为了模拟实际工况,对加载进行了放大,即装配零件重量的4倍,等于10000N 。该力加在小车面板上定位装配零件处,垂直向下。(6求解及后处理ANSYS 提供了

13、2个后处理器:通用后处理器和时间历程后处理器。本文对装配线线体进行的是静态分析,采用通用后处理器对求解结果进行后处理。通过应力、应变云图的彩色分布,以不同颜色表示不同范围的应力值。可以形象直观的观察到装配线线体内部的应力应变分布情况。如图4所示为所设计的装配线线体在本文载荷作用下的应力分布云图。由该应力云图可以看出,装配线线体承受的最大应力为80.175MPa,位于小车面板上定位装配零件处,这也是小车变形最大的部位。这与以往计算结果相吻合。查阅机械设计手册4得Q235钢的屈服极限为235MPa,所以最大应力远小于装配线线体所选材料的许用应力(235MPa 要求,说明设计合理。如果应力的有限元仿真结果表明装配线线体的设计不合理,就需要对Pr o /E 中构建的模型进行修正 。图4应力应分布云图4结束语通过本文的研究可以得到以下结论。(1利用Pr o /E 软件建立了装配线线体的参数化设计模型,利用该模型可以创建不同参数的装配线线体模型库,方便装配线线体设计人员的调用。(2利用Pr o /E 与ANSYS 的接口技术,对设计的具体装配线线体在一定载荷作用下的应力状态进行了有限元仿真分析。分析结果表明,小车面板的裂纹是装配线线体上小车损坏的主要失效形式,与实际情况相符。(3根据有限元仿真分析结果,可以对Pr o /E 中的物理模型的合理性进行正确判断,从而对物理模型的设