ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ ДЕТАЛИ «КОЛЬЦО СПЕЦИАЛЬНОЕ» В СПРОЕКТИРОВАННОМ ЗАЖИМНОМ ПРИСПОСОБЛЕНИИ С ЦЕЛЬЮ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕЛИЧИН ДЕФОРМАЦИЙ В РАСЧЕТНОЙ СРЕДЕ ANSYS®MECHANICAL

Импорт геометрии и применение моделей материалов в САЕ-системе «ANSYS®Mechanical» [1]. Объектом исследования является геометрическая модель конструкции зажимного приспособления в сборе с обрабатываемой кольцевой деталью диаметром 1750 мм, высотой 145 мм имеющей формат 3D (*.stp), которая импортирована в расчетную систему для проведения статического анализа (рисунок 1). Деталям исследуемой модели определены свойства соответствующих материалов.

 

Рис. 1. Геометрическая модель конструкции УСП в сборе с обрабатываемой деталью

 

Генерация конечно-элементной расчетной сетки. Узлы и элементы, сгенерированные в модели, в совокупности составляют сетку конечных элементов. Для создания конечно-элементной модели, конструкции оправки цанговой в сборе с обрабатываемой деталью, использованы следующие типы ко­нечных элементов: Tet10, Hex20, Wed15, Pyr13. Общие настройки сеточного алгоритма и метода «MultiZone» приведены на рисунках 2а и 2б соответственно.

Параметр Relevance отвечает за разрешающую способность сетки: минимальное значение данного параметра (–100) дает наиболее грубую сетку, в то время как максимальное значение (+100) воспроизводит сетку с наибольшей плотностью ячеек. Группа Sizing включает настройку SizeFunction, которая позволяет контролировать углы между нормалями, проведенными к ребрам соседних элементов сетки (Curvature), число элементов сетки в зазорах между двумя геометрическими элементами сборки (Proximity) и соотношения размеров соседних ячеек (GrowthRate).

 

Рис.2. Общие настройки сеточного алгоритма (а) и метода «MultiZone» (б)

 

Для контроля качества созданной конечно-элементной модели детали «Кольцо», закрепленной в зажимном приспособлении [2], запрашивается метрика «Element Quality», которая показывает отношение объема элемента к длине его стороны и приведена на рисунке 3.

 

Рис. 3. Метрика «Element Quality» конечно-элементной модели детали «Кольцо», закрепленной в зажимном приспособлении

 

Конечно-элементная модель детали «Кольцо», закрепленная в зажимном приспособлении приведена на рисунке 4.

 

Рис. 4. Конечно-элементная модель детали «Кольцо», закрепленной в зажимном приспособлении

 

Настройка связей для моделирования взаимодействия деталей. Определение контактных поверхностей и современные алгоритмы позволяют быстро и точно смоделировать взаимодействие. Для моделирования контактного взаимодействия множества деталей исследуемой модели использованы следующие типы контактных взаимодействий: «Bonded» – поверхности зафиксированы так, что образование зазора между поверхностями и скольжение невозможно; «No Separation» – скольжение в контакте ничем не ограничено, зазор не допускается. Конечно-элементная модель детали «Кольцо», закрепленная в зажимном приспособлении с настройками контактных взаимодействий, приведена на рисунке 5.

 

Рис. 5. Конечно-элементная модель детали «Кольцо», закрепленной в зажимном приспособлении с настройками контактных взаимодействий

 

Установки расчета процесса решения. Настройки процесса решения в свойствах компонента «Analysis Settings» предоставляют общие инструменты управления процессом решения. В значение поля «Number Of Steps» устанавливается нужное число шагов – 2 (рисунок 6). Несколько шагов нагружения позволяют производить расчеты последовательно при различных нагрузках.

Значение поля «Step End Time» указывает только на шаг нагружения, а не на реальное время. Значения нагрузки для каждого шага вводятся в виде таблицы в «Tabular Data».

 

Рис. 6. Настройки процесса решения

 

Приложение нагрузок и граничных условий. Правильное задание закрепления и нагружения модели позволяет получить результаты, максимально приближенные к физически проведенным экспериментам [4]. Для моделирования закрепления и нагружений множества деталей в конструкции зажимного приспособления [3] использованы приведенные ниже типы нагрузок и граничных условий.

Для моделирования закрепления конструкции приспособления на рабочем столе станка использовано граничное условие – «Fixed Support» ограничивающая для указанных поверхностей степени свободы x, y, z, rotx, roty и rotz.

Для моделирования болтовых соединений использована нагрузка – «Bolt Pretension», прикладывающая нагрузку от предварительной затяжки болта на цилиндрическую твердотельную поверхность, используя усилие предварительной затяжки.

Для корректной передачи нагрузок / напряжений через контактные поверхности при создании контакта между болтом и гайкой использован тип контакта «Bonded», с использованием виртуальной резьбы «Bolt Thread Contact Technique». Данный метод определяется на основе всех геометрических характеристик резьбы.

На первом шаге расчета к цилиндрической поверхности болта прикладывается нагрузка – затяжка болта («Bolt Pretension Load»), силой 2000N (рисунок 7). На втором шаге болт фиксируется в нагруженном состоянии («Lock»).

 

Рис. 7. Настройки приложения нагрузки «Bolt Pretension»

 

Для моделирования составляющих силы резания возникающих в процессе обработки детали использованы нагрузки типа «Force» рассчитанной величиной 100Н. Направление и величина данных нагрузок соответствует по величине и направлению действия составляющих силы резания во время обработки детали, и прикладываются на втором шаге расчета.

Настройки приложения нагрузки «Force» приведены на рисунке 8 а. Для моделирования центробежных сил, возникающих в процессе обработки, за счет присутствия главного движения – вращения инструмента, использована нагрузка типа «Moment» рассчитанной величиной 2 Нм.

Настройки приложения нагрузки «Moment» приведены на рисунке 8 б.

 

          Рис. 8. Настройки приложения нагрузок «Force» и «Moment»

 

Конечно-элементная модель детали «Кольцо», закрепленная в зажимном приспособлении c приложенными закреплениями и нагрузками, приведена на рисунке 9.

 

Рис. 9. Конечно-элементная модель детали «Кольцо», закрепленной в зажимном приспособлении c приложенными закреплениями и нагрузками

 

Анализ полученных результатов с целью определения точностных и прочностных характеристик приспособления. Основная цель статического прочностного анализа конструкций заключается в оценке напряжённого состояния конструкции, находящейся под действием неизменяющихся во времени (статических) силовых воздействий.

Для запроса результатов расчета следует выбрать ветвь Solution и добавить новый элемент результатов (рисунок 10).

 

Рис. 10. Добавление результатов расчетов

 

В данном случае результаты статического прочностного анализа а именно рассчитанные эпюры прогибов в конструкции детали (рисунок 11), используются для определения величины деформаций возникающих при обработке.

 

Рис. 11. Эпюры прогибов в конструкции детали «Кольцо», возникающие при обработке в зажимном приспособлении

 

Результаты численного моделирования процесса обработки детали «Кольцо» в спроектированном зажимном приспособлении с целью определения величин деформаций в расчетной среде ANSYS®Mechanical показывают, что при обработке детали возникают деформации, не превышающие поле допуска на данную операцию (δ=0.006мм<Т=0.150мм), следовательно, спроектированное приспособление не нуждается в доработке.

Эпюры распределения напряжений в детали «Кольцо» и деталях зажимного приспособления, возникающие при обработке приведены на рисунке 12.

 

Рис. 12. Эпюры распределения напряжений в детали «Кольцо»и в деталях зажимного приспособления, возникающие при механической обработке

 

Вывод. Анализ распределения напряжений в детали «Кольцо» и деталях зажимного приспособления, возникающих при обработке, показывает, что их значение не превышает пределов прочности материалов, из которых они изготовлены. Проведенные расчеты подтверждают правильность предварительно проведенных математических расчетов прочности зажимных элементов приспособления и обеспечения устойчивости детали.

 

 

 Список использованных источников 

 

1. Жидков А. В. Применение системы ANSYS к решению задач геометрического и конечно-элементного моделирования : учеб.-метод. материал по программе повышения квалификации «Информационные системы в математике и механике». Нижний Новгород, 2006. 115 с. URL: http://www.unn.ru/pages/elibrary/aids/2006/1.pdf (датаобращения:17.02.2008).
2. Андреев Г. И., Новиков В. Ю., Схиртладзе А. Г. Проектирование технологической оснастки машиностроительного производства : учеб. пособие для машиностроительного производств. М. : Высшая школа, 1999. 415 с.
3. Схиртладзе А. Г. Технологическая оснастка машиностроительных производств : альбом. М. : МГТУ Станкин, 1999. Ч. 1–2.
4. Ящерицын П. И. Теория резания. Минск : Новое издание, 2005. 512с.

 

---

 

Grishkina Elena

graduate student, Arzamas Polytechnic Institute (branch of R. E. Alekseev Nizhny Novgorod State Technical University), Arzamas

 

Platonov Alexandr

Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Department Engineering Technology, Arzamas Polytechnic Institute (branch of R. E. Alekseev Nizhny Novgorod State Technical University), Arzamas 

 

Kangin Mickhail

Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Department Engineering Technology, Arzamas Polytechnic Institute (branch of R. E. Alekseev Nizhny Novgorod State Technical University), Arzamas

 

NUMERICAL SIMULATION OF DETAILS HANDLING PROCESS FOR THE «SPECIAL RING» DESIGNED IN THE CLAMPING DEVICE TO DETERMINE THE STRAIN VALUE CALCULATED USING ANSYS®MECHANICAL

  

This article deals with the development and research of the finite element model of the part processing «Special Ring» in the designed tooling using «ANSYS®Mechanical» CAE-System.  The purpose of the study is to determine the part’s accuracy and strength characteristics. The device 3D model is imported into the calculation system for static analysis. The model detail has the properties of the proper materials. Contact interactions of parts in the Assembly are given. A finite element model is prepared. The applied fixings and loadings to this model are specified. Te results analysis of shows the value of deformations that occur during processing.  

 

Keywords: finite element model, ANSYS®Mechanical CAE-system, calculation system, static analysis.

  

© АНО СНОЛД «Партнёр», 2019

© Гришкина Е. М., 2019

© Платонов А. В., 2019

© Кангин М. В., 2019