钻扩铰夹具受力分析与优化设计

论文总字数：25591字

摘 要

运用基于有限元分析方法的结构优化技术是产品设计的必然趋势。计算机辅助夹具设计是现代夹具设计的发展方向，但目前市场上仍然缺乏能够投入商业运营的相对成熟的CAFD系统。本文主要采用了有限元分析方法对钻扩铰夹具设计进行了优化改进。本文从原设计的工作原理入手，计算了切削力和夹紧力的大小，使用ANSYS workbench对夹具装配体进行了静力分析。从分析结果可知，原设计的稳定性非常好，等效应力、等效应变和总形变量比较小，但定位钉和支撑钉的布局明显存在问题。总体而言，优化目标就是在保证同样稳定性的前提下，减轻夹具体体积和质量，同时将定位元件的布局进行优化。接下来根据静力分析结果，结合结构优化相关知识对原夹具设计提出了改进方案，主要对夹紧力的大小、夹具体体积和壁厚，加强筋位置以及一些细节进行了优化，并通过静力分析得出了优化前后夹具体各项参数的对比。从对比中可以看到，优化之后，夹具体质量、体积减小明显。等效应力、等效应变和总形变量的最大值几乎为原来的一半，而且，优化之后应力、应变和形变变得均匀，无明显突兀的地方。工件总形变量的最大值也变得更小。从而，即验证了本优化设计方案的合理性与可行性。

关键词：有限元分析 结构优化 夹具设计 ANSYS workbench 静力分析

A Study of Force Analysis and Optimal Design about a Fixture for Drilling , Bearizing and Reaming

Cai Guoshun

Supervised by Professor Li Pu

Abstract

The structure optimization technology based on the finite element analysis is the inevitable trend of product design. Computer aided fixture design is the development direction of modern fixture design, But there is a lack of mature CAFD system which can be put into the commercial operation on the market at present. This paper adopts the finite element analysis method to optimize the fixture design for drilling, bearizing and reaming. The article begins with explaining the working principle of the original design, then calculates the cutting force and the clamping force. After this, Using the ANSYS workbench to do the static analysis. According to the analysis result, the original design is very steady, the equivalent stress, equivalent strain and total deformation are small. But the layout of the positioning screw and supporting screw obviously needs to be improved. In a word, the optimization goal is to reduce the fixture’s volume and quality as much as possible when ensuring the stability, and optimize the layout of positioning elements. Next, of course, this article put forward the improvement project, including making some optimization about the clamping force, volume and thickness, the location of reinforcing ribs, and other details. And then, through the consequence of the static analysis, shows the comparison of the original design and the optimize design. From these comparisons, it can be saw that the fixture’s volume and quality reduced a lot, the equivalent stress, equivalent strain and total shape variables has become smaller. At that, the change of Stress, strain and deformation becomes uniform, and there is no obvious abruptness. Also, though the improvement, the workpiece’s deformation becomes smaller. Anyway, these facts all indicate that the optical project is reasonable and feasible.

Key Words: finite element analysis, structure optimization, fixture design, ANSYS workbench, static analysis

目录

第一章 绪 论 1

1.1 引言 1

1.2 课题背景及研究意义 2

1.3 有限元分析应用于结构优化的技术现状 2

1.3.1 有限元分析方法发展现状 2

1.3.2 结构优化研究现状 4

1.4 本文的研究目的和主要研究内容 6

第二章 钻扩铰夹具的工作原理 7

2.1 原设计夹具工作原理 7

2.2 切削力和夹紧力计算 7

2.2.1 切削力计算 7

2.2.2 夹紧力计算 9

2.3 本章小结 11

第三章 钻扩铰夹具的静力分析 12

3.1 静力分析的主要任务 12

3.2 有限元连接关系处理 13

3.2.1连接关系简介 13

3.2.2接触关系设置 14

3.3 有限元模型的建立 14

3.3.1几何模型 14

3.3.2有限元模型 16

3.3.3力学模型 17

3.4 静力分析结果 19

3.4.1 总变形图 19

3.4.2 等效应力图 20

3.4.3 等效应变图 20

3.4.4 工件定位分析 21

3.4.5 静力分析结论 22

3.5 本章小结 22

第四章 钻扩铰夹具的优化设计 23

4.1 优化设计概述 23

4.2 优化设计过程 23

4.2.1 夹紧机构优化 23

4.2.2 夹具体优化 24

4.2.3 工件定位优化 26

4.3 优化设计结果分析 27

4.3.1 工件定位优化分析 27

4.3.2 夹具体优化设计分析 29

4.3.3 优化设计分析结论 31

4.4 本章小结 32

第五章 总结与展望 33

5.1 论文的主要工作 33

5.2 关于利用有限元分析进行结构优化的展望 33

致谢 35

参考文献 36

附录 38

钻扩铰夹具受力分析与优化设计

第一章 绪 论

1.1 引言

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