公差分析(高级)

变形零件的公差分析结果
基于贡献度来修正尺寸
本实例中，我们修改尾灯的端 面尺寸，使得偏差的名义值和 设计的中值相一致。
在CETOL中修正后的尺寸
15 © 2006 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.
OPTIMUS优化流程
在OPTIMUS中进行公差优化
理想状态约束
但是在现实中，约束点要多得多，在约束的地方会发生过约束的情况 （如下图）。这种过约束会引起结构的变形和应力。
过约束
5
产生应力应变
© 2006 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.
对现有公差分析的改进提案 1
传统设计过程 基于CAD模型的结构分析， 对设计进行验证
考虑变形的公差分析
【分析流程】 ANSYS
在固定点处施加强制位移，进行有限元分析得到零件的变形，并把变形输出为Parasolid格式。
CETOL
用CAD工具读入ANSYS输出的Parasolid文件，添加必要的公差设定，进行公差分析， 并选择要改进的公差作为参数。
OPTIMUS
修改公差参数，使得间隙的偏差保持在3σ内，以此为目标进行优化
Cetol 6 σ + OPTIMUS + ANSYS联合仿真
--- 考虑公差的装配件结构应力分析 --- 变形体零件公差优化设计
静力分析的现状和问题
为了保证产品的品质和性能在现代设计过程中大量采用有限元分析手段， 对产品进行验证。 这些验证的过程大多基于CAD模型来进行。 然而，CAD模型是理想的设计模型，是没有考虑实际变形的理想形状。
【目的】 对尾灯零件上的一系列公差进行调整优化，使得尾灯的 应力水平保持在较低范围内 基准孔 【分析流程】 CETOL 输入：安装点的公差值（尺寸公差或者是位置度） 输出：相对于基准孔，其他孔和安装面的高度差 ANSYS 输入：CETOL计算出的高度差变成强制位移载荷 输出：安全系数 OPTIMUS 以ANSYS的安全系数1.2为目标，优化各个公差 固定点2 固定点4 偏差 偏差
14
© 2006 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.
初始方案研究
用CETOL对变形的零件间隙进行偏差计算
下图是对变形后的零件的公差分析结果，可见，偏差导致了名义值的改变，从而加大了次品率的发 生。 在进行优化设计之前，我们参考CETOL的Analyzer中贡献度表，对尺寸进行修改， 使偏差的名义 值符合设计的要求。
试样或者量产
改进提案
通过公差分析确定变形
公 差 改 进 意 见
变 形 量 传 递 给 结 构 分 析 工 具
因制造和组装而 发生变形问题
返回给设计人员
再加工调整 考虑变形的结构强度
由于重新设计和再次加 工带来了成本的增加
通过引入制造和装配引起的偏差变形进行结构分析，并 自动修改设计的公差，从而减少人工修改的次数
在自重作用下空的位置偏移
装配误差引起的偏移
制造和安装公差导致的偏移和 变形
3 © 2006 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.
理想状态约束
在各种制造，装配引起的变形情况中，要数过约束问题对结构的受力情 况影响最大，本实例针对过约束的情况进行讲解。 下图表示了理想的约束状态。对图示的3个螺钉孔进行约束
19
© 2006 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.
基于修正好的偏差名义值，次品率的情况得到大大 改善。但是偏差的方差[σ=2.63]和目标[σ≥3]有距离， 所以还需要对其进行修改。 这里，基于贡献度的大小，我们选择上部的4个连 接点（两个夹具销，尾灯固定销，角灯固定销）的位 置度作为设计修改参数，以偏差的方差为3作为目标进 行优化
向CETOL输入文件写入 设计参数
优化过程
当前的产品CAD模型，为了真实反应形状特性，往往模型的 规模越来越大，在反复迭代的优化过程中，会导致计算量的 增加。采用有效的手段来控制计算成本也是当前的一个课题。 以下是本例题的计算过程，并说明了如何有效地进行优化。 STEP1 采用二阶全因子法进行实验设计，并获得响应面 STEP2 在上一步获得的响应面上进行非线性序列二次 规划寻优（NLPQL） STEP3 以第二步的初步优化结果为起点，在求解器上 进行进去寻优（NLPQL）
通过CAD测定的偏差
这时候，没有什么产品质量上的大问题，不过因为过约束产生 的变形，尾灯和角灯之间的间隙名义值发生了变化。 因此，我们需要对这个间隙再次进行优化调整，使之处于允许 的涉及范围内。
13 © 2006 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.
2个固定点的位置度和公 差作为设计参数
偏差 去除CETOL结果中固定 点的偏差
将固定点的标准偏差的 3被作为强制位移
把强制位移写入ANSYS 的输入文件
进行ANSYS结 构计算
读取ANSYS的计 算结果
最小安全系数
【优化过程】
9 © 2006 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.
17
© 2006 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.
总结
在实际的制造和组装过程中，采用本方案可以避免CAD理想模型的不足， 充分考虑实际过程中的公差影响，并针对多个性能指标多公差进行改进设 计，提高产品品质。
考虑偏差的结构分析
零件变形后的次品率
ansys的结构分析安全系数固定点3的z方向偏差与公差的相关度固定点4的z方向偏差与公差的相关度名称相关度名称相关度optimus工作流优化过程向cetol输入文件写入设计参数2个固定点的位臵度和公差作为设计参数向cetol的输出文件写结果去除cetol结果中固定点的偏差将固定点的标准偏差的3被作为强制位移把强制位移写入ansys的输入文件读取ansys的计算结果最小安全系数进行cetol公差计算进行ansys结构计算偏差10优化过程当前的产品cad模型为了真实反应形状特性往往模型的规模越来越大在反复迭代的优化过程中会导致计算量的增加
• X平动(X1方向固定)，Y平动（Y1方向固定），Z平动（Z1方向固定） • X轴转动（Z1和Z3固定），Y轴转动（Z1和Z2固定），Z轴转动（X1和X3固定）
如果采用上述固定形式，在固定位置处不会因为制造和组装的变形而产生应力 应变。
理想的约束
4 © 2006 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.
CAD模型
结构分析
基于CAD的结构分析
2 © 2006 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.
基于CAD分析的问题
但是，在实际的生产装配过程中，不可能忽略各种各样的变形。显然如 果在分析过程中只考虑理想状况是不完善的，甚至会导致产品的性能问 题。
11 © 2006 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.
对现有公差分析的改进提案 2
传统设计过程 基于CAD模型的结构分析， 对设计进行验证
试样或者量产
改进提案
结构分析
形状更新
因制造和组装而 发生变形问题
返回给设计人员
再加工调整
公差分析
由于重新设计和再次加 工带来了成本的增加
改进公差
通过引入制造和装配引起的偏差变形进行结构分析，并 自动修改设计的公差，从而减少人工修改的次数
12 © 2006 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.
案例详述 2
在第11中的结果，是满足结构强度的固定点的公差配置。但这 在实际当是不够的，尾灯的装配不仅要考虑结构强度，还要 考虑尾灯之间的安装品质，比如尾灯和角灯之间的间隙，如下 图，是基于CAD的CETOL分析间隙尺寸。 角灯 尾灯
向CETOL的输出文件写 结果
4个位置度参数
进行CETOL公 差计算
间隙的方差
【优化过程】
16 © 2006 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.
优化结果
NLPQL优化
以间隙偏差达到3σ为目标
根据优化后的结果，4个地方的位置度全部修改为0.37。 这样，尾灯和角灯之间的间隙就可以满足3σ的设计要求。
6 © 2006 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.
案例详述 1
在组装汽车尾灯的时候，由于制造误差，安装孔和安装面之间 会发生偏差。并且，4个固定点采用同样的约束方式，不可避免 会产生过约束。基于以上诸多因素，尾灯的安装件上会产生安 装应力。
经过改进公差，也保证了结构的强度
18
经过公差改进，提高了合格率
© 2006 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.
详情请咨询 莎益博设计系统商贸（上海）有限公司 深圳办事处 深圳市深南大道杭钢富春商务大厦1411号
TEL ：+86-755-2399 3201 WWW：
10 © 2006 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.
优化结果
这是利用响应面的优化结果作为初始值，再次进行优化后得 到的最优结果 把安全系数1.2设为 目标值进行优化
这是初始设计参数和优化后的设计参数 的对比 位置度: 0.02 => 0.01002 固定点3的尺寸公差：0.5 => 0.31533 固定点4的尺寸公差：0.5 => 0.31927 利用这个过程，我们就可以考虑转配带来的偏差和过约束导致的应力，并 且把零件的安全系数保持在1.2的水平，同时可以得到相应的公差配置。
固定点3
固定点位置
© 2006 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.
7
初始设计验证
用CETOL对初始设计的公差进行安装位置偏差分析 通过分析得到的结果，初步设定优化流程中的各个参数
ANSYS输入： => 在上一页中的固定点3,4的Z方向（相对于基准面的高度差）和其他的 测定参数相比很大，所以把这两个高度差作为ANSYS的强制位移条件。 设计参数： 通过CETOL的相关度分析结果，选择固定点3,4的高度 方向的公差作为设计参数。 目标函数： =>ANSYS的结构分析安全系数
固定点3的Z方向偏差与公差的相关度(%) 名称 位置度 固定点3的公差 相关度 名称 位置度 固定点4的公差 固定点4的Z方向偏差与公差的相关度(%) 相关度
8
© 2006 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.
OPTIMUS工作流
向CETOL输入文件写入 设计参数 进行CETOL公 差计算 向CETOL的输出文件写 结果