手鉗體的優化設計

□ 趙 昊 □ 李智春

1.鎮江市產品質量監督檢驗中心 江蘇鎮江 212132 2.昆山施耐特機械有限公司 江蘇昆山 215337

1 設計背景

手鉗體是一種結構簡單、操作方便靈活的鉚接裝備,機體質量大,剛性較差。采用傳統的設計模式設計手鉗體,存在一些缺陷,導致產品缺乏競爭力,因此需要設計出結構合理、質量較小,并滿足強度、剛度等要求的手鉗體[1-4]。

筆者應用SolidWorks軟件建立手鉗體有限元模型,進行優化設計,進而減小手鉗體的質量[5-6]。

2 有限元分析

手鉗體機身呈C字形開口,最大沖擊力為90 kN。工作中,工人手持手鉗體,最大應力風險位置為下工作臺面與喉口連接部位,工作時會產生剛度變形和角剛度變形,使下工作臺發生傾斜,進而影響模具壽命和鉚接件成型質量。

2.1 建模

建立合理的手鉗體三維模型,有利于進行有限元分析。手鉗體三維模型如圖1所示。

圖1 手鉗體三維模型

2.2 網格劃分

有限元法通過求解偏微分方程,由單元網格節點位移求出單元應力和應變,再離散近似空間內的復雜形狀。網格劃分時,采用二階實體四面體單元,單元尺寸大小為10.00 mm,誤差為0.500 mm。手鉗體三維模型共劃分為85 166個單元格、125 235個節點,得到有限元模型,如圖2所示。

圖2 手鉗體有限元模型

2.3 材料

手鉗體所用材料為45號鋼,其材料性能參數見表1。

表1 45號鋼性能參數

2.4 邊界條件

在手鉗體實際工作狀態下,工作臺面受到來自液壓缸的沖壓載荷,因此,在工作臺面上施加法向公稱力100 kN,并對手鉗體機體施加重力載荷。手鉗體由機架吊鉤固定,并由工人手持,因此對手鉗體上側的節點位移進行約束。

2.5 分析結果

手鉗體等效應力云圖如圖3所示,合位移云圖如圖4所示。

圖3 手鉗體等效應力云圖

圖4 手鉗體合位移云圖

通過等效應力云圖和合位移云圖,可以直觀看出手鉗體應力集中和機身易變形的部位。手鉗體應力分布出現局部不平衡,應力集中在機身喉口過渡圓角處,最大應力達到241.6 MPa。45號鋼的屈服強度為355 MPa,說明實際工作中手鉗體機身的強度還有一定裕量。手鉗體下工作臺面邊緣處的位移較大,其它各處的位移較小。

3 優化設計

優化設計時,通常需要進行大量仿真試驗,來確定約束函數和目標函數的線性回歸參數,進而建立數學模型,然后通過編程、計算得到優化結果[7-8]。應用SolidWorks軟件的系統分析和優化設計算例工具,可以省去以上煩瑣易錯的工作,并且得到理想的優化結果[9-10]。

SolidWorks軟件的優化設計算例工具包含設計變量、約束、目標變量三個選項。手鉗體優化設計流程如圖5所示。

圖5 手鉗體優化設計流程

3.1 目標變量

手鉗體優化設計的目標為在保證滿足應力、剛度、角剛度的條件下,使手鉗體質量最小,即定義質量最小。

3.2 設計變量

設計變量有鉗體厚、上槽高、下槽高、上槽長、下槽長、側槽寬、手柄孔徑、喉口圓角半徑,如圖6所示。這些設計變量由系統自動組合,形成324種設計情形進行迭代計算。

圖6 設計變量

3.3 約束

根據機械設計規范,在減小手鉗體質量的同時,必須滿足應力和角變形限制。

手鉗體材料為45號鋼,屈服強度為355 MPa,取安全因子為 1.25,則定義最大等效應力不大于284 MPa。

機身的剛度控制取決于豎直位移和水平位移,定義最大豎直位移和最大水平位移均不大于0.1 mm。

3.4 迭代計算

將以上參數輸入SolidWorks 軟件,根據設定的變量和約束,系統自動進行迭代計算,如圖7所示。

圖7 序號迭代計算

3.5 優化設計結果

手鉗體優化設計結果見表2。由表2可知,在滿足手鉗體安全工況的條件下,手鉗體的質量由55 kg減小至43.5 kg,減小量為11.5 kg,減小幅度達到20.9%。最大應力風險位置仍然位于下工作臺面與喉口連接的部位,雖然應力峰值有所增大,但是仍然在安全允許范圍內。剛度和角剛度的變化很小,說明優化后減小了設計冗余,可以更加充分地發揮材料性能。

表2 手鉗體優化設計結果

4 結束語

筆者對鉚接裝備手鉗體進行了優化設計,降低了生產成本,壓縮了產品研發周期,提高了產品的市場競爭力。