基于ANSYS的高溫換模裝置夾持臂的優化設計

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境下的機械構件的實際工作狀態進行模擬仿真，獲取溫度場下構件狀態數據，從而可以進行熱-結構耦合分析、變形與承載應力優化、變形與局部應力優化和變形與材料用量優化等多約束條件耦合優化設計，實現了設計-仿真-再設計的先進設計優化流程，改變了傳統的高溫機械設計理念，大大提高了工作質量和效率，降低了成本，形成了具有一定通用性的高溫結構件設計的新方法。

夾持臂；高溫；ANSYS；優化設計

0 引言

在高溫機械設計中，由于機械構件工作在高溫環境，材料昂貴，制造工藝復雜，使得高溫承力構件設計時考慮的因素較多，設計工作比較復雜和困難。在有限元軟件出現之前，傳統的結構設計需要做大量的計算，而高溫環境對于構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。現在，我們可以采用有限元軟件，如ANSYS有限元分析軟件進行優化設計，使得傳統設計流程，即：設計-實驗-再設計發生了根本性的變化[1]。利用有限元分析法對構件的實際工作狀態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，參考國內外文獻可以發現，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構優化，但文章的重點在所取得的低溫絕熱氣瓶頸管優化成果上，沒有在方法上多加闡述。國內少有類似高溫結構件優化設計的文獻，河南質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化設計，介紹了常溫下利用ANSYS的零件結構優化設計。用于鈦合金熱成型的換模裝置的高溫模具夾持臂構件[4]，其結構較為復雜，工作在高溫環境，而且材料昂貴，這樣的高溫承力構件設計較為困難。本文將以該高溫夾持臂構件設計為例，介紹借助于ANSYS有限元軟件進行夾持臂設計的優化過程，包括初始設計方案建立、熱-結構耦合分析、變形與承載應力優化、變形與局部應力優化和變形與材料用量優化等過程，從而展示了一種利用有限元技術進行高溫機械構件優化設計的新方法[5-6]。

1 夾持臂初始結構設計

根據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[9]由驅動系統和一對夾持臂組成，夾持臂夾持模具，驅動系統驅動夾持臂進行直線運動。

圖1 高溫模具夾持機構

夾持臂是換模機構與高溫模具直接接觸的承力構件。如圖1所示在模具兩側開槽，由驅動機構[9]驅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，還要盡量節約材料。因此在設計階段應盡可能地對其結構進行優化，在滿足其強度剛度要求的情況下盡可能地節約材料。

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的核心構件，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則幾何形狀，由于夾持臂截面不規則其應力不容易計算，故使用ANSYS對其進行結構分析計算，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 夾持臂優化設計

2.1 夾持臂的熱-結構耦合分析過程

在夾持臂的優化設計中需要對夾持臂進行多次分析計算，根據夾持臂的工作環境和承載情況，利用ANSYS對夾持臂進行熱-結構耦合分析，并在分析計算的基礎上對其進行調整和優化，因每次優化除夾持臂結構有所調整外其分析過程基本相同，為避免在接下來每次優化中的重復闡述，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）進行設置[12]，如圖3所示。

設置參數后對其進行網格劃分，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果文件作為載荷施加給有限元模型，對其進行熱結構耦合分析[13-15]。通過分析結果，對夾持臂進行結構上的調整與優化。

2.2 夾持臂變形量和承載面應力優化

根據對初始設計的分析，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。

夾持臂的承載面結構較為薄弱，為減小承載面彎曲應力的積累，將承載面由連續改為間斷面。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，夾持臂為懸臂梁結構，因此將其修改為變截面梁，在夾持臂的外側設計一斜切面，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，所以在優化結構設計的同時減少了材料用量。修改后對其進行熱-結構耦合分析。圖4和圖5為夾持臂ANSYS軟件分析計算的節點位移云圖和等效應力云圖。

圖4 節點位移云圖

圖5 等效應力云圖

由圖4分析結果可以看出，由于承載面間斷，夾持臂前段變形有所增大，經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。由以上分析結果可以得出結論，將夾持臂連續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整，取一個折中的方案將承載面由分割為6份變為4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化

根據上述分析對夾持臂結構進行優化，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份變為4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，其分析結果如圖6～圖7所示。

圖6 節點位移云圖

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，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，但是結果已經非常接近,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化沒有干涉，因此在后面對夾持臂后段的優化中對其做出調整。

圖8 節點位移云圖

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配合作為夾持臂的固定端，其強度滿足設計要求，但是從節約材料的角度上來看，明顯有較大的優化空間，因此接下來對夾持臂后半部分進行優化設計。

2.4 夾持臂變形與材料用量優化

經過前兩步的優化，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化沒有干涉，在后面對夾持臂后段的優化過程中對其截面積作出調整以滿足設計要求。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接觸的承載較小位置進行挖凹槽處理，這樣在優化零件結構的同時節約材料。對其進行ANSYS有限元分析，其分析結果如圖8～圖10所示。

對夾持臂進行挖凹槽處理，兩側凹槽對稱，深度都為25 mm。由圖9可以看出，夾持臂遠離模具的一側應力值較低，大部分區域應力在319 MPa以下，僅有與機構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。

靠近模具的一側應力絕大部分在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。對比夾持臂兩側的應力狀態可以得出結論，夾持臂主要的承力部位為靠近模具的夾持臂內側。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 最終設計結構

根據以上分析，經過多次對夾持臂后段凹槽深度進行調整，靠近模具的一側受載荷較大，深度減小到10 mm，遠離模具的一側承受載荷很小，將其深度增加到35 mm（夾持臂兩側凹槽深度為經多次調整，通過ANSYS有限元分析選擇出較為合適的數值）。經ANSYS有限元分析，其分析結果如圖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應力基本在150 MPa以內，而靠近應力的一側絕大部分應力也在150 MPa以內，只有與模具接觸的夾持臂前端應力值略高，但大部分區域應力在150～400 MPa之間，僅有與模具接觸表面附近少部分區域應力達到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。最終結構優化設計方案如圖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次優化，最終取得了較為理想的設計方案。相比傳統的機械設計流程，沒有經過費時、費力且昂貴的實物實驗，利用ANSYS有限元分析軟件通過數值分析完成了夾持臂的優化設計，在滿足結構要求的基礎上，有效地減少了材料的使用量。在優化過程中，每一次的優化都建立在前一方案的ANSYS有限元分析結果上，利用這樣的方法，在優化過程中目的明確，修改恰當，經過3次優化就將夾持臂的設計方案優化到一個較為理想的狀態。通過高溫機械構件設計實例，展示了借助于有限元及仿真技術實現設計方案優化的基本方法和步驟，體現了該設計方法的優越性。

[1] 閻俊宇.美國DDA公司有限元分析法在柴油機零件結構設計[J].柴油機,1992(4):19-22.

[2] LI Yang,WANG Caili,WANG Rongshun.The thermal stress analysis and structure optimum of neck tube with vertical cryogenic insulated cylinders based on ANSYS [J].Nuclear Engineering&Design,2012,252:144-152.

[3] 李德明.基于SolidWorks和ANSYS零件快速優化設計[J].煤礦機械,2013,34(6):253-254.

[4] 梁亮.某自動裝填機械手的結構設計與分析[D].南京:南京理工大學,2015.

[5] 張建峰,王翠玲,吳玉萍,等.ANSYS有限元分析軟件在熱分析中的應用[J].冶金能源,2004,23(5):9-12.

[6] 秦秋霞,楊娟娟.剎車盤成形熱結構耦合分析[J].機電產品開發與創新,2009,22(4):83-85.

[7] 李軍.安全快速換模系統技術研究與應用[J].裝備維修技術,2007(1):4-8.

[8] 郭洪武.淺析機械手的應用與發展趨勢[J].中國西部科技,2012(10):3.

[9] 侯波.鈑金熱成型系統高溫模具自動拆裝車的研究與設計[D].沈陽:沈陽航空航天大學,2013.

[10] 姜勇,李忠權,張國偉,等.精密鑄造高溫合金的應用與需求[J].冶金工程,2004,34(3):116-118.

[11]翁秀蘭.熱分析技術及其在高分子材料研究中的應用[J].廣州化學,2008,33(3):72-76.

[12] 李春勝,黃德彬.金屬材料手冊.[M]北京:化學工業出版社,2012:379-414.

[13]張洪才.ANSYS14.0理論解析與工程應用實例[M].北京:機械工業出版社,2003.

[14] 張立華,李善德,劉君.基于ANSYS的輥套熱結構耦合分析[J].機械設計與制造,2007(11):79-81.

[15] 劉磊.剎車片夾緊機構設計及熱-結構耦合分析[D].杭州:浙江理工大學,2015.

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字化制造技術，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等；

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

2017-03-22