ОПТИМИЗАЦИЯ ФОРМЫ ДЕТАЛЕЙ СТАНОЧНОГО ПРИСПОСОБЛЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ SOLIDWORKS

OPTIMIZING THE SHAPE OF MACHINE TOOL PARTS WITH SOLIDWORKS DESIGN STUDY

Olga Kotlyarova

Master student, Department of Mechanical Engineering Technology, Arzamas Polytechnic Institute (branch) of the Nizhny Novgorod State Technical University named after R.E. Alekseeva,

Russia, Arzamas

АННОТАЦИЯ

Данная статья посвящена методике оптимизации формы деталей станочного приспособления с использованием исследования проектирования SolidSimulation. На примере оптимизации детали «Губка прижимная» станочного приспособления, построенного на основе деталей и сборочных узлов УСП-12 и УСП-12 ЧПУ рассмотрена методика поиска оптимальной толщины детали.

ABSTRACT

This article focuses on a technique for optimizing the shape of machine fixture parts using the SolidSimulation design study. Using the example of optimizing the “Clamping Sponge” part of a machine fixture built on the basis of USP-12 and USP-12 CNC parts and assemblies, a method for finding the optimal thickness of a part is considered.

Ключевые слова: SolidSimulation, исследование проектирования, прочностной анализ, станочное приспособление, оптимизация геометрии.

Keywords: SolidSimulation, design study, strength analysis, machine fixture, geometry optimization.

Использование средств оптимизации геометрии деталей в последнее время широко применяется в различных отраслях промышленности. Современный инженер-конструктор должен обладать знаниями в области топологической оптимизации, поиска равнопрочной геометрии, а также теории сопротивления материалов.

Поиск оптимальной геометрии облегчает использование различных программных средств CAE анализа. Довольно широкое распространение получило программное обеспечение SolidWorks, в частности его CAE модуль SolidSimulation. В данном модуле реализованы различные средства поиска оптимальное геометрии – топология, исследование проектирования, использование параметров и т.д.

В данной статье рассмотрим методику поиска оптимальной толщины детали «Губка прижимная» с использованием теории исследования проектирования.

Деталь «Губка прижимная» (см. рисунок 1) является частью станочного приспособления «Зажим пневматический», которое построено на основе модулей УСП-12 и УСП-12 ЧПУ (см. рисунок 2). Станочное приспособление (см. рисунок 2) состоит из несущей конструкции, гидроблока (с силой на штоке 2645Н) и базирующих призм, на которые устанавливается обрабатываемая заготовка.

Рисунок 1. Деталь «Губка прижимная»

Рисунок 2. Станочное приспособление

Для оптимизации детали посредством исследования проектирования необходимо создать статическое исследование детали в программе SolidSimulation.

В качестве поверхности закрепления необходимо выбрать пятно контакта исследуемой и обрабатываемой детали (см. рисунок 3).

Рисунок 3. Зафиксированная геометрия для детали «Губка прижимная»

На деталь «Губка прижимная» действует внешняя сила 2645 Н, которая передается через крепежные отверстия с кронштейна гидроблока (см. рисунок 4).

Рисунок 4. Зона приложения внешней силы 2645 Н

После генерирования сетки конечных элементов и проведения расчета были получены следующие результаты.  Эпюра напряжения представлена на рисунке 5.

Рисунок 5. Эпюра напряжений

Эпюра перемещений представлена на рисунке 6.

Рисунок 6. Эпюра перемещений

По данным эпюрам видно, что максимальное напряжение равно 64,4 МПа, при перемещении точек на 0,003 мм.

На основе данного статического исследования выполним исследование проектирования. Исследование проектирования обеспечивает равномерный рабочий поток для исследований оптимизации и оценки. Чтобы создать эпюры обновленных (оптимизированных) тел и вычисленных результатов для различных итераций или сценариев необходимо определить переменные, которые будут изменяться в пределах заданного диапазона, определить множественные ограничения с использованием датчиков или без, определить множественные цели. В результате исследования проектирования можно свести к минимуму массу детали, уменьшить объем без выхода за наложенные ограничения. Первоначально необходимо определить размеры модели, которые могут изменяться как параметр. Необходимо определить параметры, чтобы использовать их в качестве переменных для исследования проектирования. Необходимо отметить, что можно определить любые параметры Simulation и управляющие глобальные переменные в качестве локальных переменных. В нашем случае в качестве изменяемых параметров будут выступать один геометрический размер – высота детали (на рисунке показан синим цветом) (см. рисунок 7).

Рисунок 7. Определение изменяемых размеров

Таким образом, в качестве изменяемых размеров выступает один параметр – высота детали 20 мм (по умолчанию). Зададим данные размеры в качестве переменных (см. рисунок 8).

Рисунок 8. Задание переменных

По рисунку 8 видно, что в настройках задана переменная, которая относятся к категории размера модели: DV1 – высота детали 20 мм. Следующим этапом моделирования исследования проектирования является задание интервала изменения переменных и параметра приращения (шага). Для заданных двух переменных данные интервалы и шаги представлены на рисунке 9.

Рисунок 9. Интервалы переменных и шаг изменения

Далее необходимо задать датчики ограничений для исследования проектирования. В качестве таких датчиков будет выступать напряжение по Мизесу из диапазона 0…80 МПа и максимальное перемещение точек системы меньше 0,1 мм (см. рисунок 10).

Рисунок 10. Датчики ограничения

Необходимо отметить, что поиск данных ограничений будет осуществляться на основе статического исследования, которое было решено выше в данной статье. Целью исследования является поиск оптимальной конструкции детали «Губка прижимная» с минимальной массой. Для поиска данного решения необходимо сконфигурировать определенный датчик (см. рисунок 11).

Рисунок 11. Конфигурирование датчика массы

В цели исследования проектирования необходимо задать минимизацию данного датчика (то есть поиск конфигурации изделия с минимальной массой) (см. рисунок 12).

Рисунок 12. Цель исследования

После конфигурирования исследования проектирования будет решено 16 сценариев (см. рисунок 13).

Рисунок 13. Конфигурация исследования проектирования

После решения всех 16 активных сценариев проектирования программа выдаст оптимальную геометрию детали, которая получалась путем изменения переменных размеров в заданном диапазоне, но в то же время которая удовлетворяет наложенным на систему ограничениям и заданной цели исследования (см. рисунок 14).

Рисунок 14. Оптимальный сценарий проектирования

Таким образом, в ходе решения было выявлено соотношение переменных при оптимальном сценарии: высота детали «Губка прижимная» DV1=16 мм. Данное решение возникает в 12 сценарии проектирования. Напряжение при данном сценарии равно 78,967 МПа, перемещение – 0,0011 мм.

Вывод: В результате проведения исследования проектирования, была подобрана оптимальная конструкция детали «Губка прижимная» станочного приспособления. Оптимальный сценарий проектирования под номером 12 имеет массу 0,39 кг. От первоначальной массы изделия 0,488 кг оптимальная конструкция отличается на 20%.

Необходимо отметить, что использование исследования проектирования может быть использовано для поиска оптимальной конструкции всех деталей станочного приспособления при необходимости по методике. Рассмотренной в данной статье.

Список литературы:

1. SOLIDWORKS SimulationHelp: официальный сайт. – URL: http://help.solidworks.com/2018/english/solidworks/cworks/idc_help_helptopics.htm (дата обращения: 16.01.2022)