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机械手臂锁铆夹持C形钳结构的拓扑优化

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1.什么是锁铆连接

如图 1,锁铆铆钉在外力的作用下,通过穿透第一层材料,并在底层材料中进行流动和延展,形成一个相互镶嵌的塑性变形的铆钉连接,称作锁铆连接。

图 1 锁铆工作原理示意图

铆钉的夹持结构,也就是本文的优化对象,如图 2 所示,其实物图如图 3 所示。 4 为其工艺流程,图 5 和图 6 为锁铆的应用

图 2 锁铆夹持结构工作示意图

图 3 C形钳实物图


图 4 锁铆成型工艺流程


图 5 锁铆在汽车行业的应用


图 6 锁铆在通用行业的应用

(图1~图6来源:EPRESS宣传手册)


2.优化问题描述

技术要求:

  1. 最大夹持载荷:75 kN

  2. 寿命:500万次(3年)

  3. 刚度要求:如图 7,上下中心孔轴线变形夹角小于1°,上下中心孔垂直偏移量小于10 mm。

图 7 刚度要求


此问题的结构优化模型为:

其中,stress为保证结构疲劳寿命下的最大许可应力,经查阅相关标准,取150 MPa;θ为上下孔轴线夹角;Δz为上下孔中心相对偏移量。


3.拓扑优化建模

  1. 网格划分。有限元模型如图 8 所示,厚度90 mm,实体单元,单元大小10 mm。绿色部分为设计区域,其单元在拓扑优化时允许被去除;灰色部分为非设计区域,其单元始终保留。左侧和上端蓝色部分为螺栓孔,实际工作时,钳体通过这几个螺栓固连在其他构件上(如图 3 的实物图),约束螺栓孔所有自由度。右侧孔中心施加75000N载荷,孔中心与孔壁由刚性梁连接,如图 9 所示。钳体材料为钢。

  2. 约束条件与目标函数。在OptiStruct中创建约束条件和目标函数之前,都要先定义响应(response)。OptiStruct提供了mass和static stress响应,即质量和应力可以直接创建。θ和Δz是本问题特有的响应,是位移响应的复合函数,需要使用OptiStruct的dequations功能创建。

图 8 有限元模型

图 9 载荷施加处,蓝色部分为刚性梁


4.优化结果

优化结果如图 10 所示。其中蓝色的部分为需要去除材料的区域,红色的部分为需要保留材料的区域。优化前总重 580 kg,优化后总重 122 kg,减重 79%。优化后最大应力 150 MPa,上下孔轴线夹角 0.58°,上下孔中心相对偏移量 5.37 mm。

图 10 拓扑优化结果(减重 79%,优于目前欧洲最先进的C形钳的重量




汽车正向设计与轻量化团队

左文杰

zuowenjie@jlu.edu.cn

吉林省长春市人民大街5988

吉林大学机械学院力学系

来源:结构设计CAE工业软件研发
OptiStruct疲劳拓扑优化通用汽车材料螺栓
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-11-29
最近编辑:3天前
结构设计CAE工业软件研发
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