基于MSCMarc的汽车大型检具底座数值仿真与结构改进

参考文献： 【１】王学伟．洪奕．皮带轮旋压的现状和未来【Ｊ】．金属
成形工艺。１９９１，９（２）：５３一贸． 【２】崔玉屏．孙存福和金属旋压技术【Ｊ１．科技潮，１９９７（９）：
２０—２１．
【３】徐守昌，刘士钊．钣制皮带轮旋压机的液压ＰＣ控制【Ｊ】． 机床与液压。１９孵（３）：２９—３０．
【４】袁晓红，马力．旋压带轮的非线性有限元分析【Ｊ】．
（２）起吊状态下底座在Ｚ方向上的最大变形为 一０．１８０ ６ｍｍ（如图８所示），变形量比结构改进前 减少７２．３％，同时，最大应力由３２．２１ＭＰａ减为 １５．９９１Ｖ亚＇ａ，可见结构改进后明显减小了底座在起吊 过程中的变形。大大提高了安全性。
（３）运输状态下结构改进后底座最低固有频率 为１３６．７１拖，与结构改进前的最低固有频率７７．７４ 拖相比，进一步减小了运输过程中发生结构共振损
２．２静置状态仿真 在检具静置状态下，底座的Ｚ轴方向（垂直于
地面向上的方向）上最大变形不能超过０．０５ ｎ＇ｍ，考 虑到加工误差的存在和检具需要长期使用的影响， 采用最大变形不超过０．０３ ｔｍａ作为评价标准。同时， 在各种状态下。底座的最大应力必须小于铸铝 ７１．１０４的屈服应力１００ＭＰａ。
收稿日期：２００９—０ｒ７—０６０ 作者简介：袁俊凇（１９８５－），男，云南建水人，在读硕士。主要研
１引言 随着我国汽车行业的快速发展，对汽车冲压件
及其总成、外饰件及其总成、内饰件及其总成的质量 要求越来越高。作为主要质量检测手段的专用检测
（４）旋轮径向压下量对腰鼓件质量影响较大， 在允许的范围内，旋轮径向压下量越大。其腰鼓件 成形质量越好。
（５）当预成形进给比＾＝０．４ｎｍ／ｒ、旋轮底面与 下模间隙艿＝０．２ｒｒｌＴｌ、旋轮径向压下量Ａ＝４．８ｎＴｌｌ．、 下模端面无润滑时，腰鼓成形件鼓形理想，成形稳 定且质量较好。
应用【Ｊ１．锻压机械，１９９９（１）：７—９． 【８】王甲子．多楔带轮旋压成形方法及工艺研究【Ｄ】．广
州：华南理工大学．２００９． 【９】膝宏春．中厚壁圆管及杯形件的缩径成形关键问题的
研究【Ｄ】．吉林：吉林大学．２００５． 【１０］ＰＡＯｑ－ＩＡＭ，Ｑ珉璐．Ｍ姗幽曲鹏ｄ ｏｎｅ ｐｉｅｃｅ ｓｈｅｅｔ ｍｅｔａｌ
底座材料为铸铝ＺＬｌ０４，弹性模量Ｅ＝６８ ＧＰａ， 泊松比Ａ＝０．３，密度ｐ＝２６５０ｋｅ，／ｍ气底座自重约 １００奴，承重约４００ ｋ，通过下方的支撑凸台固定。
采用８节点６面体单元对底座结构进行离散 化。在Ｍ℃．Ｍａｒｃ有限元软件中对模型施加边界条 件，即底座下方各支撑处分别约束６个位移自由 度，底座上方承受重量的区域施加均布载荷，如图２ 所示。
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基于Ｍ℃．Ｍａｒｃ的汽车大型检具底座
数值仿真与结构改进
袁俊凇，孔啸，孙嘉继，李’铭，中昱 （上海交通大学模具ＣＡＤ国家工程研究中心，上海２０００３０）
摘要：针对汽车大型检具底座笨重、易变形等问题，基于有限元分析软件Ｍ℃．Ｍａｒｃ。分别对静置、起吊、 运输状态下底座的变形和应力情况进行数值仿真，根据仿真结果，对底座结构和起吊方式进行改进，减 轻了底座的重量，减小了底座的变形量。增强了底座的安全性。 关键词：检具；底座；数值仿真；Ｍ℃．Ｍａｒｅ 中图分类号：＂ＩＰ３９１．９；ＴＧ８０３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１—２１６８（加１０）０１—００３１一０４
ｍｅｔｈｏｄ，ｗｈｉｃｈ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｒｅｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｗｅｉｇｈｔ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｓｅ，ａｎｄ ｔｈｕｓ ｉｍ－
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；嫩．Ｍａｒｃ ｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｓｅｒｖｉｃｅ ｓａＩｅｔｙ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｈｅｃｋｉｎｇ ｔｏｏｌ；ｂａｓｅ：ｎｕｍｅｒｉｃａｌ
坏的可能性。
参考文献： 【１】谢诚．检验夹具设计【Ｍ】．北京：机械工业出版社，
２００１．
【２】戴杰．吊车吊装附加载荷及载荷系数【Ｊ】．石油工程 建设，１９９６（４）：４４—４８．
【３】常远，甄万才．基于有限元分析的底座结构分析及优 化设计【Ｊ】．中国电子科学研究院学报。２００７（２）：１６２—１６４．
仿真结果如下：起吊状态，底座最大应力为 ８．７９９ＩＶＦ＇ａ，远小于材料屈服应力。不会发生塑性变 形，满足强度要求。底座在ｚ方向上的最大变形为 一Ｏ．６５３ １ｎ＇ｌｎ，位于图５所示Ａ处。
万方数据
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表１底座前６阶模态
阶数
１ ２ ３ ４ ５ ６
固有频率／吨
７７．７４ １１５．６３ １１８．３７ １１９．８１ １２６．０４
【４１刘乘，卢杰，陈满儒．运输包装件振动特性的计算 机仿真…．包装工程，２００２（４）：２０—２２．
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模具工业２０１０年第３６卷第１期
图２底座边界条件
图１汽车仪表板主模型检具
仿真结果如下：静置状态，底座最大应力为 ２．７１１ １谮ａ，远小于材料屈服应力，满足强度要求。底 座在Ｚ方向上的最大变形为一０．０１４ ７７ ｒｒｍ，位于底 座中央的位置，如图３所示，满足精度要求。
２底座的数值仿真 ２．１有限元模型的建立
ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ
ｎｕｍｅｆｉｃａＵｙ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ￥ｔｒｅ鸽ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｓｅ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔａｔｅｓ．Ｂａｓｅｄ Ｏｎ
ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ。ａ ｌｌｅＷ ｓｃｈｅｍｅ ＷａＳ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｂａ鸵ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｌｉｆｔｉｎｇ
３．２改进方案的仿真结果 为了评价改进方案，分别从静置状态、起吊状
态和运输状态对其进行有限元仿真，结果如下： （１）静置状态下底座在Ｚ方向的最大变形量为
一０．００４０２１ ｒ姗（如图７所示），比结构改进前变形量 减少７２．８％．满足精度要求，最大应力也由原来的 ２．７１１ ＭＰａ降为１．４３２ＭＰａ。
Ｖ－ｂｅｌｔ ｐｕｌｌｅｙｓ ｗｉｔｈ ｔｌＰ幻ｔｈｒｅｅ ｇｒｏｍ惜【Ｊ】．Ｓｈｅｅｔ Ｍｅｔａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，１９７８，５５（４）：４４１—４４２． 【１ｌ】谢世伟．多楔带轮旋压成形全流程数值模拟及工艺分 析【Ｄ】．广州：华南理工大学。２００８．
万方数据
夹具（简称检具）在汽车生产中的作用越来越突 出。检具的底座承受本身和其他被检零部件的重 量，是检具的基础，其强度和刚度对保证检具的精 度有重要作用１１ Ｊｏ汽车大型检具的底座常常存在笨 重、易变形等问题。下面以汽车仪表板主模型检具 底座为例（见图１），运用Ｍ℃．Ｍａｒｃ有限元软件，分 别对底座的静置状态、起吊状态和运输状态进行数 值仿真分析，以优化底座结构和起吊方式。
（Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎ幽ａｉ加００３０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓ嘣：ｎ砖ｂａ鸵ｏｆ ａ ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ ｃｈｅｃｋｉｎｇ ｔｏｏｌ ｆｏｒ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｓ ｏｆｔｅｎ ａｐｐｅａｒｓ ｂｕｌｋｙ ａｎｄ ｅａｓｉｌｙ ｄｅ－
ｓｏｆｔｗａｒｅ眦．Ｍａｒｃ ｆｏｒｍｅｄ．ｂ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｔａｔｅ，丘ｌｌｉ毛ｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌａ）底座结构改进后剖面图
２．４运输状态仿真 底座在运输过程中存在由于道路条件、速度变
化而引起振动损坏的可能，有必要对其进行动力 学仿真分析。动力学分析是在静力学分析基础上加 入时间参数，主要包括模态分析、谐响应分析及瞬 态分析３种动力学分析方法，其中，谐响应分析及 瞬态分析用于计算模型受到变载荷时的应变和应 力口】ｏ
究方向为材料加工工程，地址：上海市华山路１９５４号模具Ｃ∞
国家工程研究中心．（电话）１３７７４４０８９３６，（电子信箱）ｊＵｌｌ．－
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图３静置状态的位移分布
２．３起吊状态仿真 为了防止吊绳与检具发生干涉，采用如图４所
示的支撑式吊梁进行起吊。考虑起吊过程中载荷的 变化，选取动载系数为ｋ＝１．１，不均衡系数ｍ＝ １．３５ ｍ，安全系数ｙ＝２。即底座需要承受的重量是 静置状态下的７ｌ＝ｙｋｍ＝１．１×１．３５×２＝２．９７倍。
场．６５
图４支撑式吊梁起吊方式 １．吊钩２．吊索３．绳扣４．板耳５．挡板６．吊架
３改进方案及其数值仿真 ３．１底座结构改进方案
针对大型检具底座实际情况，根据数值仿真结 果，对底座结构和起吊方式进行了改进，改进方案如 图６所示。其中主要从以下４个方面进行优化：
（１）底座的平均壁厚从１５ ｎｌｍ调整为１２ ｒｆＪｒｎ。并 在局部位置增加减重孔，以此减轻底座自身的重 量。改进结构后的底座重量减轻了１７．５％。
（２）合理布置加强筋。在刚度较差的区域设计Ｘ 型加强筋，同时增加筋的宽度。
（３）优化底部支撑凸台的位置，使其更好地支撑
万方数据
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底座。 （４）起吊方式由原来的支撑式吊梁改为插入式
吊梁，即将槽钢制成的吊梁插入减重孔并用螺栓固 定以完成起吊。吊梁上装有硅橡胶海绵垫，有减震、 防滑等作用。
万方数据
ＭＳＣ．Ｍａｒｃ．ｂａｓｅｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｅ ｏｆ ｌａｒｇｅ．ｓｃａｌｅ
ｃｈｅｃｋｉｎｇ ｔｏｏｌ ｆｏｒ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
Ｈ『ＡＮ Ｊｕｎ－ｓｏｎｇ，ＫＩ）ＮＧ Ｘｉａｏ，ＳＵＮ Ｊｉａ－ｊｉ，ＬＩ Ｍｉｌｌｇ，Ｓ卸哪Ｙｈ