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CAE/模拟仿真 |
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基于HyperWorks的端子压接机动特性分析及优化 |
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作者：邵小委 李莉敏 |
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引言
目前，线束产品已被普遍认为是一种具有广阔发展前景的大类产品。因此，作为线束末端加工的重要设备—端子压接机械的发展前景是非常广阔的。
目前国内市场上有手动压接钳、机械（飞轮式）端子压接机、气动端子压接机、液压式端子压接机和全自动线束机等。手动、气动和液压式端子压接机仅能满足日产量在几千根以下的小厂或个体需要，机械（飞轮式）端子压接机性能不稳定、噪音大、外形臃肿，而全自动线束机仅适应那些大型线束企业，对于日产量在3~5 万左右的中小型企业，却没有合适的选择。为了克服目前市场上存在的空白，必须开发出适合中小型企业，而且成本低、高效节能、操作方便且安全可靠的端子压接设备，以满足该群体的需要。我们以此为目标，作为新的设计起点，即创新的起点。
1 端子压接机有限元数值模拟
包含在HyperMesh 中的结构分析和优化工具OptiStruct，是当今最成熟也是应用最广泛的优化类软件。其优秀的优化技术可以为产品的优化目标提供完整可行的解决方案。OptiStruct 拥有快速精确的线性有限元求解器，拥有强大、高效的概念优化和细节优化能力，可以应用在设计中的各个阶段，其优化过程可对静力、模态、屈曲分析进行优化，有效地优化算法允许在大模型中存在上百个设计变量和响应。
1.1 实体模型简化
端子压接机由若干个部件组成，而每个部件又由若干个零件和小部件组成，在建立有限元模型的时候，这些复杂的因素不可能全部加以考虑，不可能使有限元模型的质量矩阵、刚度矩阵完全与实际相符，因此有必要对端子压接机实体模型进行有效简化。简化时，应根据分析类型及分析目的，只考虑一些起主导作用的因素来建立端子压接机的简化模型，原则如下：
1）对于不重要结构的凸台、螺钉孔、销孔、圆角等予以忽略；
2）对于一些附属设备可以考虑在相关的位置上加质量块；
3）像外罩壳、档板等零件，因为只有1.5 毫米厚，对于模型的质量矩阵和刚度矩阵没有多大影响，也可以忽略掉。简化后的模型见图1。
图1 端子压接机简化模型
1.2 有限元模型的建立
为了更能反映实际情况，选用三维实体单元来描述端子压接机机体的结构。有限元分析中，三维实体单元有两种：六面体单元和四面体单元。由于六面体单元在划分时要求结构比较规则，而端子压接机整机属于较复杂的部件，对其进行六面体网格的划分比较困难，而且目前还没有一个软件能对其进行质量理想的六面体网格自动划分。而用四面体单元分析三维结构，单元划分是很灵活的，可以逼近较复杂的几何形状，并且各种软件中对四面体网格自动划分功能已相当成熟。因此本文分析计算时，采用HyperMesh 生成四面体三维实体单元。
由于端子压接机各零部件材料都不一样，底座、左右侧板等材料为Q235A，轴承座和锁紧螺母的材料为45，而压接主轴材料为40Gr，所以它们的弹性模量以及泊松比都不一样，因此建立材料的参数如表1: 表1 端子压接机主要部件材料参数表格
 此外，载荷的模拟是结构有限元分析的重要环节，它直接关系到计算结果的真实性。机架所受载荷为：1）机架自重，机架自重可视为均布载荷分布到结构的相应节点上，也可按密度和重力加速度的方式施加，本文利用软件的求解器，给机架模型施加了密度和重力加速度，体现了重力的影响。2）端子压接机最大工作载荷，在理论最大载荷24.5kN 作用下，底板辅板承受垂直向下的作用力，面平均压力为2.2MPa。而机身侧板因为与机体上下衔接，所以受到弯曲应力。有限元法中内力或外力均由节点来传递，在整体刚度方程中的载荷项均为节点载荷。因此，当单元受均布载荷或其他非节点载荷时，必须将其向节点移置，即将非节点载荷换算成作用在节点上的等效集中载荷。
在参考了上述材料表格，并预加各种附属设备的质量块后，为了近似模拟端子压接机的实际安装情况，将底板与地接触的单元节点的三个自由度全部予以约束。
2 侧板优化过程
2.1 侧板尺寸优化（确定侧板的厚度）
给出设计空间，并且根据实际情况加载力和约束。优化问题描述如下：
目标：体积最小
约束：根据需要压接端子的精度，要求参与打压位置点y 方向的最大位移量为0.1 毫米
设计变量：侧板的厚度
零件外形设计空间如图3 所示：
图3 零件外形设计空间
尺寸优化结果
优化后，打压处的y 方向的位移达到要求：
图4 优化后打压处的y 向位移
图5 优化后应力图
图6 查看优化后的侧板厚度
从图6 可以看出，侧板厚度的最终优化结构为1.29e+01mm.
2.2 侧板的拓扑优化（确定侧板的形状）
优化问题描述如下：
设计目标：体积最小
约束：参与打压位置点y 方向的最大位移量为0.1 毫米
设计变量：空间中材料分布（侧板厚度暂定为15 毫米）
2.3 三维图形修改
根据优化后的结果，并考虑现场实际安装位置，重新生成三维图形如下
优化后 优化前
图10 重新生成的三维图形
2.4 校核
针对生成的图形，重新分析参与打压位置点y 方向的最大位移量是否小于0.1 毫米
图11 优化后零件在同样条件下的变形
图12 打压处的y 方向的位移
由上图可见，打压处y 方向处的位移为9.059e-02 ，达到要求。
因此，经过对侧板尺寸优化和拓扑优化的结果而设计出来的零件完全达到要求。
3 机架有限元模态分析
压接机电动机转速为0-1500 转/分，因此电动机的工作频率为0-25HZ ，端子压接机工作频率最快为120 次/分，故压力机的工作频率为1-2HZ ，实际上端子压接机机架的各阶固有频率要远远大于工作频率，因此对端子压接机动态性能的优化即是尽量提高本身固有频率，使其进一步远离端子压接机的工作频率以及避开电动机经常工作的频率。
端子压接机模态分析的评价条件：
1）端子压接机的弹性模态频率应避开电动机经常工作的频率;
2）端子压接机的低阶固有频率应避开自身的工作频率;
3）结构振型应尽量光滑，避免有突变;
对整机进行模态分析，得前四阶固有频率（图3）和各阶相应振型（表2），图例中灰色线为初始外形轮廓：
第一阶模态 第二阶模态 第三阶模态 第四阶模态
图13 机架前四阶振型图
从以上振型分析我们可以看出：1）机架结构在低阶模态中不仅有前后及左右方向的弯曲变形，而且还有整体扭曲变形，这些变形不但会给端子压接机工作精度带来影响，而且会加重部件之间连接位置的磨损；2）局部机构刚度的提高可能会提高整个机架结构的固有频率，应减少发生局部扭曲的机会；3）机架结构尾部的扭曲变形比较厉害，结构刚度相对来说尾部不足，导致整部机器上端产生最大变形量的概率增大，需要进一步加强。
4 机架结构优化
为了加强端子压接机整体结构的模态性能，决定做出如下改进：
1）为了减少因局部扭曲而影响整体结构固有频率发生的概率，将端子压接机后端传动部件悬空部分重新与机体连接加固；
2）在第四阶模态振型中，侧板后上端直接嵌入传动部件中，所以在两个侧板后上端最薄弱的位置重新设计一个承接板，从而减少局部扭曲现象的发生；
3）对于附属结构尽量安装到机身侧板的中间部位，亦可起到加强结构刚性的作用；
4）如有可能，尽量提高底板的台面高度以增大与侧板的接触面积。
5 结论
从优化后的结果来看，改进后结构频率较先前有明显的提高，而且最大相对变形量大大减少，一阶固有频率在原有基础上提高了295HZ 。说明通过先期的分析和后期的优化手段，确实改善了机构的整体动态性能。至此，端子压接机的设计工作基本完成，在生产环节结束后，对其性能进行了测试，各项性能指标均达到了设计要求。目前该产品已经成功投放市场并为企业带来了直接经济效益。
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(8/13/2009) |
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