公差分析(高级)

Cetol6σ+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©2006CYBERNETSYSTEMSCO.,LTD.AllRightsReserved.2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。CAD模型结构分析基于CAD的结构分析©2006CYBERNETSYSTEMSCO.,LTD.AllRightsReserved.3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。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理想的约束©2006CYBERNETSYSTEMSCO.,LTD.AllRightsReserved.4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•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。过约束©2006CYBERNETSYSTEMSCO.,LTD.AllRightsReserved.5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。产生应力应变传统设计过程©2006CYBERNETSYSTEMSCO.,LTD.AllRightsReserved.6对现有公差分析的改进提案1改进提案基于CAD模型的结构分析，对设计进行验证试样或者量产因制造和组装而发生变形问题返回给设计人员由于重新设计和再次加工带来了成本的增加通过公差分析确定变形变形量传递给结构分析工具公差改进意见考虑变形的结构强度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再加工调整©2006CYBERNETSYSTEMSCO.,LTD.AllRightsReserved.7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。【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【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，优化各个公差基准孔固定点2固定点4固定点3偏差偏差固定点位置©2006CYBERNETSYSTEMSCO.,LTD.AllRightsReserved.8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(%)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位置度固定点3的公差位置度固定点4的公差©2006CYBERNETSYSTEMSCO.,LTD.AllRightsReserved.9OPTIMUS工作流【优化过程】向CETOL输入文件写入设计参数2个固定点的位置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©2006CYBERNETSYSTEMSCO.,LTD.AllRightsReserved.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。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）©2006CYBERNETSYSTEMSCO.,LTD.AllRightsReserved.11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。传统设计过程©2006CYBERNETSYSTEMSCO.,LTD.AllRightsReserved.12对现有公差分析的改进提案2改进提案基于CAD模型的结构分析，对设计进行验证试样或者量产因制造和组装而发生变形问题返回给设计人员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再加工调整结构分析形状更新公差分析改进公差©2006CYBERNETSYSTEMSCO.,LTD.AllRightsReserved.13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。但这在实际当中是不够的，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。通过CAD测定的偏差角灯尾灯这时候，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。©2006CYBERNETSYSTEMSCO.,LTD.AllRightsReserved.14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©2006CYBERNETSYSTEMSCO.,LTD.AllRightsReserved.15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。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©2006CYBERNETSYSTEMSCO.,LTD.AllRightsReserved.16OPTIMUS优化流程在OPTIMUS中进行公差优化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向CETOL的输出文件写结果进行CETOL公差计算【优化过程】间隙的方差4个位置度参数©2006CYBERNETSYSTEMSCO.,LTD.AllRightsReserved.17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。©2006CYBERNETSYSTEMSCO.,LTD.AllRightsReserved.18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经过改进公差，也保证了结构的强度零件变形后的次品率经过公差改进，提高了合格率©2006CYBERNETSYSTEMSCO.,LTD.AllRightsReserved.19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：[phone]：