AnsysWorkbench在卡扣装配分析中的应用
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当装配模型从cad系统导入ansysworkbench后系统能够根据设定侦测存在的接触自动建立接触区域也可以根据需要手动设定接触区域卡扣装配采用手动设定接触区域的方法设定悬臂卡扣为面接触关系中的接触体定位件为目标体接触面之间的摩擦因数为013214卡扣模型网格的划分模型网格划分是将几何形体离散成单元和节点的过程
网格单元的大小 ,也可以根据精度和速度的要求 ,自定
义网格的大小 。本文采用自由网格划分卡扣模型 。
215 模型分析模式类型和参数的设置
AnsysWorkbench有静态结构 、模态分析和随机振
动等多种分析模式 。一般根据模型施加的载荷类型
和分析结果选择合适的分析模式 。卡扣装配属于静
态大变形 ,选择允许大变形的静态结构模式 。其中 ,
配采用手动设定接触区域的方法 ,设定悬臂卡扣为面
接触关系中的接触体 ,定位件为目标体 ,接触面之间
的摩擦因数为 013。
214 卡扣模型网格的划分
模型网格划分是将几何形体离散成单元和节点
的过程 。在 Ansys Workbench中一般使用自由网格划
分 ,系统根据模型的体积 、曲率和复杂程度等自动设定
现代制造工程 2008年第 8期
CAD /CAE /CAPP /CAM
An sysW orkbench在卡扣装配分析中的应用
纪海慧 (上海理工大学机械学院 ,上海 200093)
摘要 :介绍基于 AnsysWorkbench的卡扣装配分析方法和步骤 。用 Ansys Workbench软件可以方便地计算卡扣中的应力 和应变 ,动态显示装配过程 ,生成计算结果曲线图 。与常用简化公式计算相比 , Ansys Workbench的计算结果更精确 。该 分析方法具备较大的扩展性 ,对同类应用的设计具有指导意义 。 关键词 : AnsysW orkbench;卡扣 ;应变分析 中图分类号 : TH16 文献标识码 : B 文章编号 : 1671—3133 (2008) 08—0048—03
参 考 文 献: [ 1 ] 王中宇 ,夏新涛 ,朱坚民. 测量不确定度的非统计理
论 [M ]. 北京 :国防工业出版社 , 2000. [ 2 ] 王中宇 ,夏新涛 ,等. 非统计原理及其工程应用 [M ].
现代制造工程 2008年第 8期
北京 :科学出版社 , 2005. [ 3 ] 秦平. 动态测量中非统计不确定度的灰评定 [ D ]. 洛
图 5 卡扣应变
图 6 装配力变化
3 结语
卡扣装配分析采用 Ansys Workbench 分析计算 , 相对常用简化公式可以获得更精确的结果 ,并且可以 动态显示装配过程和生成计算曲线图 ,为卡扣的合理设 计提供可靠依据。这一基于 Ansys Workbench的分析 过程和方法对同类产品设计分析具有一定的指导意义 。
计算结果说明 ,利用 Ansys Workbench 得到的最 大应变和最大装配力比简化公式的计算结果要小 ,这 是由于 Ansys Workbench考虑了卡扣臂支撑面变形等 因素 。经测力计实际测量 ,最大装配力为 411N ,表明 AnsysWorkbench计算与常用简化公式计算相比 ,结果 与实际情况更吻合 。
包含的建模工具手动建立模型 。 2)在 Simulation模块中建立与常见的 CAD 软件
现有 模 型 文 件 的 链 接 , 如 UG、Pro / E 和 CATIA 等 。 CAD 软件对模型文件的修改自动反映到 Ansys Work2 bench中 。
第一种方法不能利用 CAD软件中现有的模型 ,需
计角度 α = 20°, 保持面设计角度 β = 70°, 卡扣材料 PB T2GF30,卡扣材料弹性模量 E = 9600M Pa, 卡扣接触 面摩擦因数μ = 013。
图 1 悬臂卡扣应用实例
1 悬臂卡扣装配的简化计算方法
图 1所示是一常见的悬臂卡扣应用实例 。其中 , PB T线圈通过其上的悬臂卡扣固定在铝合金锁体的定 位件上 ,避免 PBT线圈在工作过程中从锁体上脱落 。
时反馈到控制芯片 , 然后通过灰预测可以及时地发出 报警信号 , 及时地更换轴承 , 将损失降到最低 。灰关 联分析在系统误差分析和最优方案选择方面有广泛 应用 , 但都是比较独立的分析问题和解决问题 , 如果 将轴承各部分材料的选择通过灰关联分析 , 选择最优 的搭配方案 , 轴承的质量必定会达到意想不到的效 果 ,寿命更会大大地延长 。随着科学的不断进步 , 灰 色系统理论一定会越来越完善 , 应用也会越来越广 , 与经典理论结合起来 , 在生产实践中的指导作用必定 会越来越重要 。
Abstract: Introduce the analysis method and p rocess of snap fitting assembly based on Ansys Workbench. It is easy to calculate the stress and strain of snap fitting and dynam ically disp lay the assembly p rocess and generate graph of calculation result by An2 sysWorkbench. Compared to the simp lified formula calculation, the result of Ansys W orkbench is more p recise. This analysis method design has function extension ability and gives instructions to the design of the sim ilar app lications. Key words:Ansys Workbench; Snap fitting; Stress analysis
卡扣装配模型
212 卡扣材料属性的设置
部分 ,如图 3所示 。
在 Engineering Data 模 块 中 新 建 卡 扣 材 料 PB T2
GF30,设置材料弹性模量为 9600M Pa、泊松比为 013。
在 Simulation模块中设置悬臂卡扣和定位件的材料为
PBT2GF30,刚度特性为弹性 ,分析类型为非线性 。
(上接第 49页 ) 动来实现 。在 Ansys Workbench中设定定位块固定约 束 ,卡扣臂向定位件移动的位移载荷 ,如图 4所示 。
图 4 卡扣装配约束与载荷
217 求解产生分析结果 选择开始求解后 ,求解完成进度会显示在软件的
状态栏中 ,在求解信息模块可以查看求解的详细步 骤 ,处理结果以动画或曲线图的形式显示 。卡扣装配 过程中的应变如图 5所示 ,最大应变为 0122%。装配 力的变化如图 6所示 ,最大装配力为 318N。
Applica tion of An sys W orkbench on snap f itting a ssem bly ana lysis
J i Hai2hui (University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, CHN )
213 卡扣与定位件连接关系的定义
在 Ansys Workbench中可以定义连接关系为区域
接触 、接触对和弹簧 。卡扣装配是面接触 ,属于区域
接触 。当装配模型从 CAD 系统导入 Ansys Workbench
后 ,系统能够根据设定侦测存在的接触 ,自动建立接
触区域 ,也可以根据需要手动设定接触区域 ,卡扣装
不断发生变化 。
2)当卡扣长度小于 5 倍臂厚或卡扣宽度大于长 度时 ,依据悬臂梁理论公式进行计算结果不准确 。
3)利用悬臂梁理论公式计算时假设卡扣臂的支 持壁面是刚性的 。实际上 , 卡扣臂根部壁面会发生偏 斜 ,对计算结果产生影响 。当支持壁面偏斜时 , 卡扣 的实际应变和应力都比计算值小 。
4)卡扣截面突变处会产生应力集中 , 造成实际应 变增大 。增大卡扣臂与支撑壁面交汇处的过渡圆角 可以减小应力集中效应 ,但不能完全消除它 。
子步数的设置反映装配的实际过程 ,子步数越多反映
装配过程越精确 ,但导致计算量增加 。卡扣装配过程
分为卡扣悬臂抬起和复原两个子过程 ,相应分析子步
数也应设置为 2,以反映这一实际装配过程 。
216 模型边界约束条件和载荷的施加
卡扣的实际装配通过卡扣臂与定位件的相对运
(下转第 131页 )
49
综 述
= 20
×1152
×9600 6 ×29
×010027
= 617N
3)平行于卡扣面使卡扣偏斜的最大装配力 F为 :
μ + tan [α + arctan ( Y ) ]
F =P
L=
1 - μtan [α + arctan ( Y ) ]
L
617
013 ×
+
tan [
20
+
a rc tan
(1) 29
卡扣是简单 、快速和经济的连接技术 ,主要通过 装配中的弹性变形和到位后的复原变形实现部件的 连接 ,可以完成部件的多次分离和连接而不对产品结 构产生影响 。由于塑料材料的柔韧性和注塑可行性 , 大多数卡扣采用塑料材料制造 ,其中 ,悬臂类卡扣是 卡扣设计的典型方式 。Ansys Workbench软件是 Ansys 公司开发的新一代仿真平台 , 包括三个模块 : Design Modeler、Design Space和 Design Xp lorer。三个模块集 成一体 , 可以进行双向参数互动调节 。同时 , Ansys Workbench可 以 与 其 他 的 CAD 系 统 如 UG、Pro / E、 CATIA 等进行双向数模交换 。Ansys Workbench使得 CAE分析快捷 、高效 。本文介绍基于 AnsysWorkbench 的悬臂类卡扣装配分析 。
采用 Ansys Workbench对卡扣装配进行有限元分 析 ,可以避免以上问题 。并且通过软件生成的计算结 果曲线图和动画可以更精确 、直观地了解卡扣装配过
程中的应变和应力变化情况 。
2 悬臂卡扣装配的 An sys W orkbench分析
211 A n sys W o rkbench卡扣装配模型的建立 卡扣装配模型的建立有两种方法 。 1)利用 Ansys Workbench 的 Design Modeler模块
要重复建模 , 并且
Ansys Workbench 作
为 CAE 软 件 , 建 模
能力不如专业 CAD
软件 。本 文 采 用 第
二种 方 法 建 立 卡 扣
模型 ,为减少计算时
间 ,在 原 有 CAD 模
型中 删 除 对 卡 扣 装
图 3 Ansys Workbench
配分 析 影 响 很 小 的
阳 :洛阳工学院 , 1999. [ 4 ] 夏新涛 ,王中宇 ,常洪. 滚动轴承加工质量与振动的
灰色关联度 [ J ]. 航空动力学报 , 2005, 20 (2). [ 5 ] 邓聚龙. 灰预测与灰决策 [M ]. 武汉 :华中科技大学
出版社 , 2002. [ 6 ] 刘守道 ,张来斌 ,王朝晖 ,等. 滚动轴承故障的灰色
48
CAD /CAE /CAPP /CAM
现代制造工程 2008年第 8期
臂最大偏斜点最远的表面上 (见图 2) ,计算如下 。
1
)最大应变
ε m
ax为
:
ε max
=
3 YH 2L2
=3
×1 ×115 2 ×292
= 010027
= 0127%
2)重直于卡扣面使卡扣偏斜的最大偏斜力 P为 :
P
= B H2 Eεmax 6L
图 2所示是该悬臂卡扣的常用简化计算模型 。图 2中 ,卡扣臂宽度 B = 200mm, 卡扣臂长度 L = 29mm, 卡扣臂厚度 H = 115mm, 根切深度 Y = 1mm, 插入面设
图 2 悬臂卡扣简化计算模型
根据经典悬臂梁理论计算公式 , 卡扣装配过程中 发生的最大应变在离卡扣臂中心轴最远以及离卡扣
GM 模型预测 [ J ]. 润滑与密封 , 2000, 30 (2).
作者简介 :张林 ,硕士研究生 。 夏新涛 ,教授 ,硕士生导师 。
作者通讯地址 :河南科技大学校本部 2001信箱 (洛阳 471003) E2mail: userzhanglin@163. com 收稿日期 : 2008203210
1 - 013 tan [ 20 + arctan ( 1 )
] ]
=
513N
29
应用以上经典悬臂梁理论公式对卡扣进行计算 ,
与实际存在一定的差异 。原因如下 。
1)以上计算假设使卡扣偏斜的力作用在卡扣的
末端 。实际上 ,偏斜力 P是作用在卡扣末端卡爪移过
定位件时的接触点上 , 这一接触点位置在装配过程中
网格单元的大小 ,也可以根据精度和速度的要求 ,自定
义网格的大小 。本文采用自由网格划分卡扣模型 。
215 模型分析模式类型和参数的设置
AnsysWorkbench有静态结构 、模态分析和随机振
动等多种分析模式 。一般根据模型施加的载荷类型
和分析结果选择合适的分析模式 。卡扣装配属于静
态大变形 ,选择允许大变形的静态结构模式 。其中 ,
配采用手动设定接触区域的方法 ,设定悬臂卡扣为面
接触关系中的接触体 ,定位件为目标体 ,接触面之间
的摩擦因数为 013。
214 卡扣模型网格的划分
模型网格划分是将几何形体离散成单元和节点
的过程 。在 Ansys Workbench中一般使用自由网格划
分 ,系统根据模型的体积 、曲率和复杂程度等自动设定
现代制造工程 2008年第 8期
CAD /CAE /CAPP /CAM
An sysW orkbench在卡扣装配分析中的应用
纪海慧 (上海理工大学机械学院 ,上海 200093)
摘要 :介绍基于 AnsysWorkbench的卡扣装配分析方法和步骤 。用 Ansys Workbench软件可以方便地计算卡扣中的应力 和应变 ,动态显示装配过程 ,生成计算结果曲线图 。与常用简化公式计算相比 , Ansys Workbench的计算结果更精确 。该 分析方法具备较大的扩展性 ,对同类应用的设计具有指导意义 。 关键词 : AnsysW orkbench;卡扣 ;应变分析 中图分类号 : TH16 文献标识码 : B 文章编号 : 1671—3133 (2008) 08—0048—03
参 考 文 献: [ 1 ] 王中宇 ,夏新涛 ,朱坚民. 测量不确定度的非统计理
论 [M ]. 北京 :国防工业出版社 , 2000. [ 2 ] 王中宇 ,夏新涛 ,等. 非统计原理及其工程应用 [M ].
现代制造工程 2008年第 8期
北京 :科学出版社 , 2005. [ 3 ] 秦平. 动态测量中非统计不确定度的灰评定 [ D ]. 洛
图 5 卡扣应变
图 6 装配力变化
3 结语
卡扣装配分析采用 Ansys Workbench 分析计算 , 相对常用简化公式可以获得更精确的结果 ,并且可以 动态显示装配过程和生成计算曲线图 ,为卡扣的合理设 计提供可靠依据。这一基于 Ansys Workbench的分析 过程和方法对同类产品设计分析具有一定的指导意义 。
计算结果说明 ,利用 Ansys Workbench 得到的最 大应变和最大装配力比简化公式的计算结果要小 ,这 是由于 Ansys Workbench考虑了卡扣臂支撑面变形等 因素 。经测力计实际测量 ,最大装配力为 411N ,表明 AnsysWorkbench计算与常用简化公式计算相比 ,结果 与实际情况更吻合 。
包含的建模工具手动建立模型 。 2)在 Simulation模块中建立与常见的 CAD 软件
现有 模 型 文 件 的 链 接 , 如 UG、Pro / E 和 CATIA 等 。 CAD 软件对模型文件的修改自动反映到 Ansys Work2 bench中 。
第一种方法不能利用 CAD软件中现有的模型 ,需
计角度 α = 20°, 保持面设计角度 β = 70°, 卡扣材料 PB T2GF30,卡扣材料弹性模量 E = 9600M Pa, 卡扣接触 面摩擦因数μ = 013。
图 1 悬臂卡扣应用实例
1 悬臂卡扣装配的简化计算方法
图 1所示是一常见的悬臂卡扣应用实例 。其中 , PB T线圈通过其上的悬臂卡扣固定在铝合金锁体的定 位件上 ,避免 PBT线圈在工作过程中从锁体上脱落 。
时反馈到控制芯片 , 然后通过灰预测可以及时地发出 报警信号 , 及时地更换轴承 , 将损失降到最低 。灰关 联分析在系统误差分析和最优方案选择方面有广泛 应用 , 但都是比较独立的分析问题和解决问题 , 如果 将轴承各部分材料的选择通过灰关联分析 , 选择最优 的搭配方案 , 轴承的质量必定会达到意想不到的效 果 ,寿命更会大大地延长 。随着科学的不断进步 , 灰 色系统理论一定会越来越完善 , 应用也会越来越广 , 与经典理论结合起来 , 在生产实践中的指导作用必定 会越来越重要 。
Abstract: Introduce the analysis method and p rocess of snap fitting assembly based on Ansys Workbench. It is easy to calculate the stress and strain of snap fitting and dynam ically disp lay the assembly p rocess and generate graph of calculation result by An2 sysWorkbench. Compared to the simp lified formula calculation, the result of Ansys W orkbench is more p recise. This analysis method design has function extension ability and gives instructions to the design of the sim ilar app lications. Key words:Ansys Workbench; Snap fitting; Stress analysis
卡扣装配模型
212 卡扣材料属性的设置
部分 ,如图 3所示 。
在 Engineering Data 模 块 中 新 建 卡 扣 材 料 PB T2
GF30,设置材料弹性模量为 9600M Pa、泊松比为 013。
在 Simulation模块中设置悬臂卡扣和定位件的材料为
PBT2GF30,刚度特性为弹性 ,分析类型为非线性 。
(上接第 49页 ) 动来实现 。在 Ansys Workbench中设定定位块固定约 束 ,卡扣臂向定位件移动的位移载荷 ,如图 4所示 。
图 4 卡扣装配约束与载荷
217 求解产生分析结果 选择开始求解后 ,求解完成进度会显示在软件的
状态栏中 ,在求解信息模块可以查看求解的详细步 骤 ,处理结果以动画或曲线图的形式显示 。卡扣装配 过程中的应变如图 5所示 ,最大应变为 0122%。装配 力的变化如图 6所示 ,最大装配力为 318N。
Applica tion of An sys W orkbench on snap f itting a ssem bly ana lysis
J i Hai2hui (University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, CHN )
213 卡扣与定位件连接关系的定义
在 Ansys Workbench中可以定义连接关系为区域
接触 、接触对和弹簧 。卡扣装配是面接触 ,属于区域
接触 。当装配模型从 CAD 系统导入 Ansys Workbench
后 ,系统能够根据设定侦测存在的接触 ,自动建立接
触区域 ,也可以根据需要手动设定接触区域 ,卡扣装
不断发生变化 。
2)当卡扣长度小于 5 倍臂厚或卡扣宽度大于长 度时 ,依据悬臂梁理论公式进行计算结果不准确 。
3)利用悬臂梁理论公式计算时假设卡扣臂的支 持壁面是刚性的 。实际上 , 卡扣臂根部壁面会发生偏 斜 ,对计算结果产生影响 。当支持壁面偏斜时 , 卡扣 的实际应变和应力都比计算值小 。
4)卡扣截面突变处会产生应力集中 , 造成实际应 变增大 。增大卡扣臂与支撑壁面交汇处的过渡圆角 可以减小应力集中效应 ,但不能完全消除它 。
子步数的设置反映装配的实际过程 ,子步数越多反映
装配过程越精确 ,但导致计算量增加 。卡扣装配过程
分为卡扣悬臂抬起和复原两个子过程 ,相应分析子步
数也应设置为 2,以反映这一实际装配过程 。
216 模型边界约束条件和载荷的施加
卡扣的实际装配通过卡扣臂与定位件的相对运
(下转第 131页 )
49
综 述
= 20
×1152
×9600 6 ×29
×010027
= 617N
3)平行于卡扣面使卡扣偏斜的最大装配力 F为 :
μ + tan [α + arctan ( Y ) ]
F =P
L=
1 - μtan [α + arctan ( Y ) ]
L
617
013 ×
+
tan [
20
+
a rc tan
(1) 29
卡扣是简单 、快速和经济的连接技术 ,主要通过 装配中的弹性变形和到位后的复原变形实现部件的 连接 ,可以完成部件的多次分离和连接而不对产品结 构产生影响 。由于塑料材料的柔韧性和注塑可行性 , 大多数卡扣采用塑料材料制造 ,其中 ,悬臂类卡扣是 卡扣设计的典型方式 。Ansys Workbench软件是 Ansys 公司开发的新一代仿真平台 , 包括三个模块 : Design Modeler、Design Space和 Design Xp lorer。三个模块集 成一体 , 可以进行双向参数互动调节 。同时 , Ansys Workbench可 以 与 其 他 的 CAD 系 统 如 UG、Pro / E、 CATIA 等进行双向数模交换 。Ansys Workbench使得 CAE分析快捷 、高效 。本文介绍基于 AnsysWorkbench 的悬臂类卡扣装配分析 。
采用 Ansys Workbench对卡扣装配进行有限元分 析 ,可以避免以上问题 。并且通过软件生成的计算结 果曲线图和动画可以更精确 、直观地了解卡扣装配过
程中的应变和应力变化情况 。
2 悬臂卡扣装配的 An sys W orkbench分析
211 A n sys W o rkbench卡扣装配模型的建立 卡扣装配模型的建立有两种方法 。 1)利用 Ansys Workbench 的 Design Modeler模块
要重复建模 , 并且
Ansys Workbench 作
为 CAE 软 件 , 建 模
能力不如专业 CAD
软件 。本 文 采 用 第
二种 方 法 建 立 卡 扣
模型 ,为减少计算时
间 ,在 原 有 CAD 模
型中 删 除 对 卡 扣 装
图 3 Ansys Workbench
配分 析 影 响 很 小 的
阳 :洛阳工学院 , 1999. [ 4 ] 夏新涛 ,王中宇 ,常洪. 滚动轴承加工质量与振动的
灰色关联度 [ J ]. 航空动力学报 , 2005, 20 (2). [ 5 ] 邓聚龙. 灰预测与灰决策 [M ]. 武汉 :华中科技大学
出版社 , 2002. [ 6 ] 刘守道 ,张来斌 ,王朝晖 ,等. 滚动轴承故障的灰色
48
CAD /CAE /CAPP /CAM
现代制造工程 2008年第 8期
臂最大偏斜点最远的表面上 (见图 2) ,计算如下 。
1
)最大应变
ε m
ax为
:
ε max
=
3 YH 2L2
=3
×1 ×115 2 ×292
= 010027
= 0127%
2)重直于卡扣面使卡扣偏斜的最大偏斜力 P为 :
P
= B H2 Eεmax 6L
图 2所示是该悬臂卡扣的常用简化计算模型 。图 2中 ,卡扣臂宽度 B = 200mm, 卡扣臂长度 L = 29mm, 卡扣臂厚度 H = 115mm, 根切深度 Y = 1mm, 插入面设
图 2 悬臂卡扣简化计算模型
根据经典悬臂梁理论计算公式 , 卡扣装配过程中 发生的最大应变在离卡扣臂中心轴最远以及离卡扣
GM 模型预测 [ J ]. 润滑与密封 , 2000, 30 (2).
作者简介 :张林 ,硕士研究生 。 夏新涛 ,教授 ,硕士生导师 。
作者通讯地址 :河南科技大学校本部 2001信箱 (洛阳 471003) E2mail: userzhanglin@163. com 收稿日期 : 2008203210
1 - 013 tan [ 20 + arctan ( 1 )
] ]
=
513N
29
应用以上经典悬臂梁理论公式对卡扣进行计算 ,
与实际存在一定的差异 。原因如下 。
1)以上计算假设使卡扣偏斜的力作用在卡扣的
末端 。实际上 ,偏斜力 P是作用在卡扣末端卡爪移过
定位件时的接触点上 , 这一接触点位置在装配过程中