基于ANSYS的液压钳制器工况数值模拟*

毛璐瑶，曾令富，梁澜之，曾筱瑚，陈启愉

（广东省工业技术研究院（广州有色金属研究院）机电工程研究所，广东广州 510651）

基于ANSYS的液压钳制器工况数值模拟*

毛璐瑶，曾令富，梁澜之，曾筱瑚，陈启愉

（广东省工业技术研究院（广州有色金属研究院）机电工程研究所，广东广州 510651）

利用仿真分析软件Hypermesh和ANSYS对某新型常闭液压钳制器进行有限元仿真，分析其受力情况。通过仿真分析，发现支点长柱长度太短，长柱两端应力集中非常严重，延长支点长柱的长度能够有效改善应力集中的情况。同时通过仿真获得了常闭液压钳制器预紧力与钳制力的关系曲线，及预紧力为35 416 N时液压与钳制力的关系曲线，获得满足要求的钳制器维持开闭状态所需螺栓预紧力和液压的大小，为钳制器的研制提供依据。

钳制器；螺栓；预紧力；液压；仿真

0 引言

在机床运行过程中可能会遇到突然断电的情况，此时机床的限位器无法工作，为防止机床运动台高速撞向机床床身，需要利用钳制器对其进行紧急制动。液压常闭型钳制器常被用于机床制动领域。目前，国产液压钳制器较少，主要是德国与日本的产品。笔者单位与企业联合研发液压常闭型钳制器，通过螺栓预紧力及液压压力来实现钳制器的开闭状态。本文利用有限元软件AN⁃SYS对某款液压钳制器进行仿真，获得该液压钳制器所需的螺栓预紧力和液压的大小，并校核钳制器的强度，为钳制器的研制提供依据。

1 液压钳制器的工作原理

液压常闭钳制器利用螺栓预紧力和液压压力实现钳制器的开和关，其原理如图1所示。

某款常闭液压钳制器结构如图1所示，在断电或者关闭机器时，液压缸断电失压，钳制器在螺栓预紧力的作用下夹紧导轨，实现关闭状态。当机器正常工作时，液压缸产生的油压推动活塞2，带动翘板3以支点长柱7为支点，通过杠杆原理撑开钳制臂4，从而使钳制器松开导轨。

2 液压钳制器的理论计算

在进行理论计算时，将钳制臂视为刚体。钳制器与导轨的摩擦力需要达到9 000 N才能达到钳制器的制动要求[1]，根据查表可知，导轨与钳制器刹车片的摩擦系数为0.1。因此，为保证足够的制动力，需要提供90 kN的钳制力。钳制器杠杆的尺寸如图2所示。

图1 钳制器示意图

图2 钳制器受力部件尺寸示意图

钳制器钳制力由4根国标M12螺栓提供，由杠杆原理可得理论所需的最小螺栓预紧力为，螺栓受到的拉应力为

3 液压钳制器有限元仿真

3.1 钳制器材料参数

从理论计算中可以看出普通的Q-235号钢无法满足钳制器的强度要求，本文中的钳制器采用强度更高的20Cr合金钢，其材料参数如表1所示[3]。

表1 20Cr材料参数

3.2 前处理及施加载荷边界条件

在进行网格划分前，为了高效地划分出高质量的网格，需要对钳制器模型做适当的简化和清理。本文中利用Spaceclaim软件进行几何清理工作，然后将清理完成的几何模型导入Hypermesh中进行网格划分。

钳制器依靠螺栓预紧力提供钳制力，利用液压与预紧力相互平衡使钳制器张开。钳制器作为装配体在进行数值模拟时需要考虑螺栓预紧和接触问题，所用到的单元有三维实体单元solid185，预紧单元pres179，弹簧单元combin14、接触单元contact173和target170[4]。在钳制器零部件接触之前，部件未接触上会造成部分零部件缺少自由度，因此需要利用combin14单元在相应零部件上施加一个微小的弹簧力来约束该零部件相应的自由度。接触问题是一个非线性问题，为保证计算的收敛性，接触部分的网格尽量画的规整[5]。由于钳制器是对称结构，为了减少单元数量，节省计算资源，本文取1/2模型进行力学分析，然后在对称面上施加对称约束。钳制器网格划分及约束如图3所示。

图3 钳制器有限元网格和约束

3.3 加载和求解

利用Hypermesh划分完网格后，将有限元模型导入到ANSYS进行加载和求解。将模型导入ANSYS以后，通过Psmesh命令定义预紧截面和预紧力，然后在求解器中施加预紧力[6]。为了获得预紧力与钳制力的关系曲线，在两根大螺栓上施加40 000 N的预紧力，分成40个载荷子部，记录每个子部的结果。然后根据所得的预紧力与钳制力的关系，取合适的螺栓预紧力，施加20 MPa的液压，获得液压与钳制力的关系曲线。

图4 钳制器夹紧时等效应力云图（显示效果放大50倍）

4 仿真结果与分析

（1）钳制器应力云图

在生产中螺栓预紧力一般通过力矩扳手施加。该钳制器生产中所加的力矩为85 N·m。根据经验公式，螺栓预紧力力矩，D为螺栓的公称直径，K为拧紧系数[7]。对于无润滑一般加工表面K的取值范围为0.18～0.21，预紧力F的取值范围为33 730～39 352 N。取K=0.2，则预紧力F=35 416 N。，其中F为预紧

图4是螺栓预紧力F=35 416 N时，钳制器的等效应力云图。从图4（a）中可以看出，连接处出现了局部应力集中，局部等效应力最大可达686 MPa。在离螺栓稍远的地方等效应力在343 MPa以下。在实际生产过程中应尽量减小螺纹连接处的应力集中，选择强度较高的螺栓作为预紧螺栓。

从图4（a）和（b）中可以看出，在支点长柱的两端发生了严重的应力集中现象，长柱的中间部分应力很小而两端的应力很大，最大值达到1 540 MPa，超过了材料的屈服强度。从图4中可以看出，支点长柱较短，位于两根螺栓之间。在施加螺栓预紧力时，靠近螺栓的部分位移较大，使得支点长柱两端端面与顶板及钳制块之间率先发生接触，进而以长柱两端为支点，使得钳制臂和支点长柱发生弯曲，中间部分向外凸起与顶板脱离接触。因此整根支点长柱真正起到支点作用的仅仅为长柱两端端面附近很小的区域，这是导致支点长柱两端附近应力很大的主要原因。要想改善支点长柱端面应力集中的现象，可以将支点长柱延长。

图5为延长后的钳制臂应力云图，从图5中可以看出，支点长柱延长后，应力集中现象获得极大的改观，支点长柱应力减小幅度很大，支点长柱处最大应力减小到391 MPa以下。

图5 支点长柱延长后的等效应力云图

（2）螺栓预紧力与钳制力的关系

螺栓预紧力与钳制力的关系如图6所示。

图6 钳制力与预紧力的关系

由图6可以看出，钳制力的大小与预紧力的大小是呈线性的，当预紧力的大小大于31 000 N的时候，满足钳制力大于90 000 N的制动要求，较理论值要稍小。在实际生产中，为了确保钳制器的安全可靠，螺栓预紧力可以取的稍微大一点。

（3）钳制器液压与钳制力的关系

机床在工作时，需要液压缸提供液压力撑开钳制器。液压力过小导致使钳制器无法张开，液压力过大则会损害钳制器螺栓及其他结构件，而且会提高运行成本，因此获得合适的液压大小对于一款安全可靠、经济实用的钳制器显得尤为重要。取拧紧系数K=0.2，则预紧力F=35 416 N，在该预紧力作用下，施加液压。液压与钳制力的大小关系如图7所示。

图7 液压与钳制力的关系

由图7可以看出，在钳制器松开的过程中，液压与钳制力的大小是呈线性关系，随着液压的增大钳制器的钳制力逐渐减小。由图7曲线的斜率可以看出，当液压在11 MPa至12 MPa之间时，钳制力就已经降为0。当液压为大于12 MPa时，钳制力为0，钳制器松开。因此，在预紧力为35 416 N时，钳制器的液压为12 MPa可以满足松开要求。

5 结束语

一款高精度液压常闭钳制器对零部件的加工装配精度及强度要求很高。本文通过数值模拟方式发现液压常闭钳制器支点长柱设计的太短，导致结构应力集中比较严重，通过延长支点长柱长度方式能够显著地改善支点长柱两端的应力集中情况。同时预紧螺栓需要选择强度较高的材料，避免在螺纹连接处应力集中。

对于本文中的液压常闭钳制器，通过计算获得了预紧力与钳制力的关系曲线以及预紧力F=35 416 N时的液压与钳制力的关系曲线。该钳制器螺栓预紧力大于31 000 N可满足9 000 N制动力的制动要求，在钳制力为35 416 N时，需要12 MPa以上的液压可以使钳制器松开导轨。

通过对液压常闭钳制器的有限元仿真，可以有效地改进产品的设计，增加产品的精度和使用寿命，减小产品的使用成本。

［1］王轩，杨家军，刘文威.液压钳制器的螺栓力学分析［J］.湖北工业大学学报，2014（01）：84-86.

［2］刘鸿文.材料力学：第四版［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［3］宋冰昕.20Cr钢与ZG25MnNi钢焊接接头组织与性能研究［D］.大连：大连交通大学，2008.

［4］贺李平，龙凯，肖介平.ANSYS 13.0与Hypermesh 11.0联合仿真有限元分析［M］.北京：机械工业出版社，2012.

［5］钱俊梅，江晓红，仲小冬，等.浅谈基于ANSYS软件的接触分析问题［J］.煤矿机械，2006（07）：62-64.

［6］李会勋，胡迎春，张建中.利用ANSYS模拟螺栓预紧力的研究［J］.山东科技大学学报：自然科学版，2006（01）：57-59.

［7］郑战光，蔡敢为，李兆军.含螺栓预紧力的汽车钢圈强度分析［J］.机械设计与制造，2009（08）：219-220.

The Numerical Simulation of Hydraulic Clamping Device Based on ANSYS

MAO Lu-yao，ZENG Ling-fu，LIANG Lan-zhi，ZENG Xiao-hu，CHEN Qi-yu
（Guangdong General Institute of Industrial Technology（Guangzhou Research Institute of Non-Ferrous Metal），Guangzhou510651，China）

Finite element simulation is been used on stress ansysis of a new closed hydraulic clamping device.It is shown that the long supporting column is too short that the stress concentration has occurred in both ends of the column.To improve this performance the lengthening of the column has been applied.The relation curve of pre-tightening force against clamping force and the curve of hydraulic against clamping force at 35416N pre-tightening force can be obtain through simulation.Therefore the required pre-tightening force and the hydraulic for keeping the device closed can be derived.

clamping-device；bolt；pre-tightening；hydraulic pressure；simulation

TP391.7

：A

：1009－9492(2014)12－0172－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.044

毛璐瑶，男，1990年生，江西鹰潭人，硕士，工程师。研究领域：机械装备及功能部件可靠性数值模拟及优化。

(编辑：王智圣)

*广东省科技计划项目（编号：2012B091000078）

2014－01－08