基于UG工装设计中的有限元验证与分析

张斌

摘 要：通过实例，分析工装设计中的常见问题，充分发挥软件特点，引入主流技术UG有限元对其进行验证、分析并提供直观的数据作为依据，用于解决实际问题，借此提高分析问题、解决问题的能力。

关键词：工装设计 UG有限元 受力分析

中图分类号：N945.13 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）04（b）-0066-02

1 UG简介

UG是Unigraphics的缩写，是集计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助分析功能于一体的软件集成系统。在中国，它得到了越来越广泛的应用，已成为我国工业界主要使用的大型CAD/CAE/CAM软件之一。

Unigraphics适于完整的产品工程。使公司能够在同一集成的数字化环境中去模拟、验证产品和他们的生产过程。如今制造业所面临的挑战是，通过产品开发的技术创新，在持续的成本缩减以及收入和利润的逐渐增加的要求之间取得平衡。为了真正地支持革新，必须评审更多的可选设计方案，而且在开发过程中必须根据以往经验中所获得的知识更早地做出关键性的决策。

主要功能为以下几种。

1.1 产品设计

UG为那些培养创造性和产品技术革新的工业设计和风格提供了强有力的解决方案。UG包括了世界上最强大、最广泛的产品设计应用模块。工业设计师能够迅速地建立和改进复杂的产品形状。UG具有高性能的机械设计和制图功能，为制造设计提供了高性能和灵活性，以满足客户设计任何复杂产品的需要。

1.2 仿真、确认和优化

UG允许制造商以数字化的方式仿真、确认和优化产品及其开发过程。通过在开发周期中较早地运用数字化仿真性能，制造商可以改善产品质量，同时减少或消除对于物理样机的昂贵耗时的设计、构建，以及对变更周期的依赖。

2 工装设计中的问题

合格工装的设计，不仅仅是把工装设计出来、制作出来那么简单；而是还要经过不断的试验，总结，改进，然后才能正式应用于生产。这其中及时的发现问题和解决问题尤为重要。下面通过一次典型的工装设计，来予以阐述。

某产品是一个液压双缸体零件，如图1所示，特点是产品双缸孔所在面及孔径要求精度高，面粗糙度要求在Ra1.6以内，孔径公差要求在0.02 mm以内，而且壁薄。因此，工装设计的合理性尤为重要。

工装设计中，定位点和压紧点选择是非常重要的，在加工此双缸体液压零件某一序的时候，以法兰端面、子口外径与一个小孔定位，加工双缸孔所在面、镗双缸孔与面上所有小孔。

压紧点选择法兰盘背面的三点作为主要压紧点。考虑加工远端铣面和镗孔时可能会有震刀产生而影响产品质量，所以在远端面加上一个辅助顶紧装置。如图2所示。

考虑操作原因，工装整体采用液压压紧方式，工件通过子口插入定位环中，以其中一个小孔定角向，定位环固定在定位座上，定位座固定在底板上，三个液压转角缸压紧法兰盘背后的三点。

另一端采用一个座在缸座上的直进缸推动压紧盘作为辅助顶紧装置。

为了使直进缸压紧力可调，备用一个减压阀。

看似合理的设计在实际的验证过程中仍然遇到了一个难以克服的问题，问题出现在双缸孔远端的那个孔的底部，总是莫名的产生椭圆的现象，考虑是辅助的直进缸压力过大，而加上备用的减压阀后，将减压阀调整到最小5 kgf仍然会产生少量变形，难道还是压力过大？但已经是减压阀调整极限了，而且低于5 kgf还会起到什么作用很难判断，应该使用多大的压力才合适，还是这种设计方法根本就是错的。

如果通过力学方法去一步步的计算，对于这么复杂形体的零件几乎是不可能的。于是考虑用UG来解决。

3 UG有限元分析

进入了UG，在UG界面将工件实体模型打开，点击“开始”，进入UG高级仿真模块，在仿真导航器中选择模型，并“新建FEM和仿真”和“创建解算方案”。

在新建的FEM中设置有限元模型的材料属性，将材料设置为“steel”；置有限元模型的网格属性，将网格属性设置为“3D四面体网格”。根据实际情况设置网格大小，选择仿真导航器，进入仿真模型界面，对模型选择“约束类型”，选择“固定约束”，选择工件法兰盘端面即定位面；选择“载荷类型”，选择“压力”，选择工件的辅助压紧面。如图3所示。

以简化问题的原则，忽略子口与小孔定位的设定等不相关因素。

在“压力”菜单栏内将压力单位设置为N/cm2，这是为了保持与液压缸的压力单位kgf/cm2统一，便于分析，首先将压力值设置为9.8，即为1 kgf的大小。点击“解算”，在仿真导航器中查看“结果”选项，选择“位移—节点”观察有限元模型的变形情况图及数值。如图4、图5所示。

从图中可清晰发现，变形最严重的画圈区域恰恰就是实际加工中变形的区域，在施加1 kgf的时候，由图4可知最大变形量为1.432μm。半剖变形视图如图6所示。

再将“压力”菜单栏内的压力值重新设置为98，重新点击“解算”，在仿真导航器中查看“结果”选项，选择“位移—节点”观察有限元模型的变形情况图及数值。如图7、图8所示。

图中显示，同样的画圈区域在施加10 kgf的时候，最大变形量变为14.32μm。由此可知，变形大小和施加力的大小是成正比的。

到此，UG有限元分析基本结束。

4 解决方案

通过UG有限元的直观分析，基本可以确定由于此工件壁薄，要求精度高，对末端施加的辅助力基本会使工件在末端缸孔底部产生变形，即使将减压阀减到最小5 kgf顶紧力的时候，在不考虑毛坯厚度公差及加工时刀具切削力的情况下，理论上仍然会产生7μm多的压力变形，这是不可接受的。所以原方案辅助压紧机构最终很难满足图纸要求。

经过查询相关资料，最终确定另一种液压缸可以满足需要，这种缸的原理是，加力时先将弹簧释放，慢慢靠紧工件，然后液压锁住位置。这种缸的优势在于，靠紧工件时只是靠紧，而几乎没有压力作用在工件上，锁紧后，工件就不会在加工过程中产生震动，这正是我所需要的。

5 结论

作为工程师，会在工作中发现各式各样的问题，而能否解决问题的关键是能不能分析出真正问题点。依靠经验固然重要， 但是面对新的问题，新的挑战不能仅仅依靠经验，更不能在没有可靠数据的情况下凭借主观的臆断，对生产造成不必要的损失。UG有限元分析通过简洁的操作，就能为我们提供直观，精确的数据，就能为我们解决问题提供出可靠的依据，实在是一柄工程师手中不和缺少的利器，掌握了这柄利器的使用方法，会大幅提高我们分析问题，解决问题的能力，会使我们自身的价值产生质的飞跃。

参考文献

[1] 吕洋波.UG NX7.0动力学与有限元分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2] 詹友刚.UG NX8.0产品设计实例精解[M].北京：机械工业出版社，2011.

[3] 张云杰.UG NX 6.0零件与装配设计[M].北京：清华大学出版社，2010.endprint