淺談有限元分析在工裝設計中的應用

摘 要：隨著航空發動機技術的進步，發動機中的產品零件設計向高精度、薄壁件、異型件、輕質復合材料等方向發展，因此，與之配套的檢測工具也要求精度高、重量輕、剛性好、強度高。近年來，隨著工裝設計向實現三維設計發展進步，有限元分析成為了設計人員進行模擬分析結構使用的工程分析方法和手段。有限元分析——利用數學近似的方法對真實物理系統（幾何和載荷工況）進行模擬，并利用簡單又相互作用的元素，即單元，就可以實現用有限數量的未知量去逼近無限數量的未知量的系統。

關鍵詞：有限元分析；工裝設計；求解

1 概述

在航空發動機產品零件中，特別是軸孔類零件具有長度短、尺寸公差嚴等特征，且大部分測量位置在凹槽內，檢測設計比較困難。零件過程生產檢測時常采用在線測量方法，需考慮人工操作的便捷性，所以對測具基體的重量、剛性和強度提出較高的精度要求。

隨著工裝設計檢測水平向數字化、自動化、精密化、高效化發展，改變原有專用測量工具笨重不便的狀況，急需尋找輕型工裝設計結構分析手段，提高工裝設計的質量，是擺在我們設計人員面前的重要任務。

一個好的工裝結構設計必須滿足以下標準：當預期的載荷作用時，該結構必須不出現任何故障。意味著所設計的結構必須是“強度足夠”，故障就是其結構存在破裂、分離、彎曲，以及支撐作用載荷失敗。并且在通常設計中還應提供安全余量，即考慮到意外的載荷。

當載荷作用時，該設計結構必須不產生過分變形。意味著所設計的結構必須是“剛度足夠”，即是變形可以接受的極限（也即彎曲度，撓度，拉伸等）。所設計的結構在它服務生命周期內，使用穩定可靠。這意味著設計的結構必須“足夠耐用”，必須考慮環境影響和磨損破裂。所設計的結構分析結果，必須滿足：（1）強度足夠——應力必須是在一個可以接受的范圍內。（2）剛度足夠——應力必須是在一個可以接受的范圍內。（3）耐用度足夠——在設計允許的疲勞周期內，應力必須是較低。

因此，工裝設計結構可以用有限元分析的方法對真實幾何結構和載荷進行模擬，就能實現工裝設計結構——用有限數量的未知量去逼近無限未知量的系統結構分析數據；從而確定最輕、最優化的設計結構。

2 工裝有限元結構分析

針對已經設計的工裝——弓型直徑測具進行基體有限元結構分析，是否滿足工裝設計剛性、強度要求。首先，利用UG軟件將創建好的三維仿真分析模型，導入如圖1所示。其次，選擇基體模型的材料，包括材料的密度、彈性模量、泊松比等力學性能指數。從相關金屬材料手冊上查找T8A，45鋼的力學性能參數，并輸入到軟件中。T8A，45鋼的力學性能參數，如圖2。

利用ANSYS的WORBENCH平臺創建仿真分析模板，并建立仿真過程，如圖3。選擇要分析幾何模型結構圖，并進入到靜力分析的幾何分析模塊Geometry模塊中，進行模型的導入。導入幾何模型后，對幾何模型進行修補和重新定義，確定加載位置幾何和相關信息，便于后期分析使用，并對以上信息進行命名。在導入網格后，需要對幾何體進行區域網格劃分，劃分網格的目的是進行各個單元數值求解。網格最好是畫成六面體為主的網格類型，這樣的網格相對分析準確，精度高，如圖4所示。

進入靜力分析的求解設置模塊，點擊model進入，本測具含有三個固定支撐點，并受到重力作用，這些受力需要通過求解設置模塊進行求解設置，具體設置如圖5所示。通過standard Earth Gravity（標準地球引力）加載整個設備的重力作用，并指定重力方向，如圖重力方向是Z軸的負向，因此重力選擇-Z；除重力選擇外，還需選擇基體材料，即要指定設計結構的基體材料是T8A或45鋼。

通過Fixed Support確定固定支撐點，一共三個支點，都要通過這個命令進行定義，如圖6。通過以上兩步完成整個結構的受力加載，這個時候圖形顯示窗口會顯示受力的加載狀況，最后進行求解，完成受力的求解過程。

完成求解后，分析整個零部件的受力狀況，如圖7。通過軟件分析能夠得到：45鋼這個時候最大的變形值為2.1515e-006m。

同理，針對T8A進行一樣的分析，過程與45鋼一樣，只是在選擇材料屬性的時候，選擇T8A就可以，完成求解，并得到最終的變形效果，如圖8，T8A最大的變形值為1.927e-006m。

針對45鋼和T8A材料鋼基體的有限元進行的變形靜力分析，得出同樣弓型基體結構最優的材料選擇是T8A較好，同時確定出測具基體最輕狀態、最優結構框架。

參考文獻

[1]博創設計坊組.UG NX 7.5完全自學手冊[M].北京機械工業出版社，2010.

[2]聯合編寫組.機械設計手冊[M].化學工業出版社，1979.

[3]ANSYS有限元分析從入門到精通[M].人民郵電出版社，2010.

作者簡介：錢寶娟，工裝廠設計科，三級技術專家，工程師，一直從事工裝量具設計工作。