基于Ansys Workbench的工装有限元分析及优化设计

罗 东， 吕 杰

（中车永济电机有限责任公司， 山西 永济 044500）

引言

工装作为产品制造过程中的辅助工具，其结构优劣足以决定产品制造工艺的效率及产品品质[1]。因此，工装设计对其结构需要更加先进的数字仿真技术进行设计。有限元分析的方法在工程设计和科研领域得到越来越广泛的应用，有限元分析将求解域看成是许多小的互联子域，对每一子域求出一个近似解，然后推导整个求解域总的满足条件，从而得到问题的解。有限元仿真优化的一般步骤如下：根据使用工况对现有设计进行校核，仿真计算出原设计的薄弱部位。对该设计进行参数优化设计，确定优化目标及优化条件，寻找最优解。依据优化结果对结构重新设计计算，最终确定设计方案。对真实几何结构和载荷进行模拟，就能实现工装设计结构——用有限数量的未知量去逼近无限未知量的系统结构分析数据，从而确定最轻、最优化的设计结构[2]。

联轴节是高速动车组中电机与减速箱连接最常用的部件，联轴节与电机轴是过盈配合，安装过程需要用到联轴节组装工装。图1是组装联轴节工装示意图，该工装是通过推力液压装置将联轴节装配到轴上的专用工装。因设计不合理盖工装在使用过程中出现断裂现象，如图2所示。为分析拉杆断裂原因及设计该拉杆以满足使用要求，需要对拉杆重新仿真分析及优化设计。本文利用CREO软件对原始电机组装联轴节工装进行参数化建模，然后利用Ansys workbench模块对原工装设计方案进行应力分析，确定设计薄弱环节，寻找拉杆断裂原因。根据分析结果对工装结构进行参数化优化设计，最终获得满足强度和刚度要求的工装结构。

图1 组装联轴节工装示意图

图2 拉杆断裂图

1 组装联轴节工装的三维建模及有限元分析

1.1 组装联轴节工装的结构及工作原理

组装联轴节工装主要由膨胀泵油嘴、推力泵液压装置，拉杆、压筒、螺杆、螺母等零部件组成，具体结构如图1所示。其工作原理为先将联轴节用手推入轴上，将组装联轴节工装和液压装置装好。将膨胀泵加压到指定压力，使联轴节胀开，利于压装到轴上。然后将推力泵加压到指定压力，推力泵压力表指针不动，表示联轴节已打到位。这时将膨胀泵直接卸压，推力泵保压20 min后直接卸压，完成联轴节装配。

1.2 拉杆建模

拉杆是组装联轴节工装的关键部件，在使用过程中，拉杆通过三个长螺栓与转轴轴头固定，压筒通过拉杆的导向杆压在联轴节上，推力液压装置也套在拉杆的导向杆上，导向杆尾部通过螺栓将推力液压装置固定。推力液压装置加压时，拉杆承受拉力，最大拉约82 500 N。拉杆的材料为合金钢，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，屈服强度约为550 MPa，抗拉强度800～950 MPa，质量密度为7 800 kg/m3。根据现有模型尺寸，利用CREO参数化造型功能，可建立拉杆的精确模型，如下页图3所示。

图3 拉杆三维模型

1.3 分析类型和条件的确定

为仿真分析拉杆断裂的原因，将拉杆模型单独取出。本文重点研究截面变化处的应力状态，为减少计算量，细化关键位置网格，模型取截面处断裂部位，如图4所示。三个螺栓位置施加固定约束，模拟螺杆对拉杆的连接，在拉杆小截面处施加8 2500 N拉力，模拟推力液压装置对拉杆施加的拉力。

图4 拉杆有限元分析模型

1.4 拉杆有限元分析

对上述模型进行分析计算，由图5的应力云图可知，拉杆最大应力发生在变截面处，最大值约为809.5 MPa，超过材料的屈服强度，甚至超过材料的抗拉强度，该设计方案极易发生断裂，不满足实际工作要求。

图5 原始设计拉杆应力云

2 工装压板的优化设计

优化设计的过程是建立准确的优化模型,采用合适优化算法，建立优化目标及优化变量，通过迭代计算，得到最优设计方案。目标函数是优化分析的目标，在一个优化算例中，只能设定一个优化目标，优化目标可以是最小质量、体积、尺寸、成本等[3]。在优化设计前，需要限定设计变量的变化范围；约束条件是定义模型状态变量的合理变化范围，并指定变化范围的最大值和最小值。

工装原始设计由于结构安装的特殊要求，无法在变截面处倒角，导致变截面处应力集中，应力无法满足设计要求，因此需要一种新的结构方式满足应力要求。

在满足加工工艺要求的基础上，优化设计采用内陷倒圆角方式，以牺牲螺杆接触面强度为代价换取拉杆截面处应力减小，如图6所示。

图6 拉杆内陷式设计方案

为了确定内陷深度及内陷孔径，达到该结构拉杆拉力跟螺栓压力位置的应力合理分配，需要对该方案进行优化设计。在优化设计之前，对拉杆尺寸添加关系约束，如图7所示，其中d26=（d27-d6）/2，d30=d26，添加此约束后，只要修改孔径d27尺寸，孔深d26，倒角Rd30都会随之改变。

图7 优化变量及参数

以拉杆所受应力最小化为优化目标，孔径d27尺寸为变量。取设计变量d27的取值范围为：24～32 mm，经过10次迭代后，成功找到工装拉杆模型的最优解，优化参数及结果如表1所示。由表1可知，当d27=26 mm时，该工装最大应力为567.26 MPa,与优化前相比，应力下降30%多。且最大应力属于压应力，不会引起工装破坏。将优化后的数据带入有限元分析软件重新进行应力计算，结果如下页图8所示，图8应力与优化数据有些许差别是因为两者网格划分方法差异所导致。

表1 工装拉杆不同优化参数数据对比

图8 优化后的应力云图

经过优化设计，工装拉杆的应力满足设计范围，后续使用中未发现断裂现象。说明该优化设计对组装联轴节工装的改进设计提供了可靠依据，该工装满足现场使用要求。

3 结语

1）由于原有组装联轴节工装在使用过程中出现断裂现象，影响产品生产，必须对该工装进行重新设计，利用CREO软件对组装联轴节工装进行了参数化建模，并利用Ansys Workbench软件对工装拉杆断裂原因进行了有限元分析，分析结果表明拉杆最大应力超过材料的屈服强度，不满足使用要求。说明初始设计方案有缺陷，需要对其进行优化设计满足设计要求。

2）在有限元分析的基础上，对工装拉杆进行了优化设计，优化结果表明工装拉杆的应力下降30%以上，且满足使用条件要求。

3）在产品设计生产过程中，应用有限元分析软件进行仿真，可以提前发现设计缺陷和不足，进而进行修改和优化设计，不仅可有效缩短产品生产周期，降低废品率和制造成本，同时使结构轻便耐用。