0.摘要：本文基于安世亞太自主研發的PERA SIM Mechanical結構仿真軟件，對某機床夾具進行熱分析及熱結構耦合分析，獲得機床夾具的穩態溫度場以及熱變形和熱應力，用于指導和驗證夾具的設計方案。證明了國產仿真軟件PERA SIM Mechanical在熱結構耦合分析的適用性和可靠性。

關鍵詞：機床夾具；熱分析；熱結構耦合分析；PERA SIM Mechanical

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1.引言

夾具作為機械加工的重要工具，是保證加工精度和質量的重要因素，直接影響工件的加工質量。夾具用于固定工件，應防止在高溫下因為材料自身的熱脹冷縮而導致工件發生形變，工裝夾具設計應具有足夠的剛性和穩定性，能夠在高溫環境下承受壓力和變形。確保工裝夾具能夠保持穩定，不會發生變形或破損。在熱處理過程中，工件和工裝夾具都會發生熱脹冷縮，因此設計時需要充分考慮這一點。若設計未考慮熱穩定性，導致夾具在加工過程中因溫度變化而產生熱變形，將會影響加工精度。

夾具熱設計是指在設計夾具時考慮到熱傳導和熱膨脹等因素，以確保夾具在工作過程中能夠有效地傳導熱量并保持穩定的工作狀態。關鍵的設計因素包括選擇合適的材料、合理的結構設計、有效的散熱設計等。關鍵需利用熱-結構耦合分析功能，評估夾具在溫度載荷下的變形量，采取合適的夾具結構設計、增加松動補償間隙、使用可調節的夾緊裝置等方式，以適應熱脹冷縮帶來的變形和應力。

本文基于安世亞太自主研發的通用流體仿真軟件PERA SIM Mechanical，對某型機床夾具進行了熱結構耦合分析研究。

2.問題描述

2.1 幾何導入

PERA SIM Mechanical具有豐富的幾何接口，幾乎支持所有主流CAD軟件生成模型的直接導入，如下圖所示。

導入stp格式的帶水冷管的夾具三維幾何模型，該模型主要由夾塊與水冷管組成，分析中采用實體模型進行分析。

2.2 實體網格劃分

a) 網格設置相關考慮

對夾具夾塊利用【四面體】網格劃分器進行網格劃分，方法為【通過實體】，設置基礎參數單元尺寸4mm，最小尺寸1mm，最大尺寸8mm。打開【曲率控制】幾何角度采用10度。

對水冷管部分，采用拉伸方法生成六面體。

b) 實體網格質量檢查

通過檢查工具中【3D檢查】，設置相應的質量指標進行檢測，超標的各指標會以不同顏色顯示。其中【修復】功能可以對超標單元進行節點移動、切分等進行改進。更多情況下對三維網格采用重新定義單元尺寸控制進行網格劃分。

2.3 聯接關系設置

夾具和水冷管間仿真中采用綁定接觸進行聯接。可以通過手動定義來實現：首先定義全局參數選擇永久綁定；指定接觸屬性勾選熱綁定接觸；定義接觸域，水冷管單元定義一個域，夾塊定于一個域；最終設定接觸對。

2.4 材料及邊界條件

夾具：鋼材

密度值為7850kg/m3，彈性模量2.1E5MPa，泊松比0.3，導熱系數60.5 W/m.k熱膨脹系數1.2E-5 /℃。在軟件中定義采用組合方式線彈性屬性采用MAT1材料模板定義；導熱系數采用MAT4類材料定義；利用自定義類型對兩種屬性進行組合即可。

水冷管：銅管

密度值為8300kg/m3，彈性模量1.1E5MPa，泊松比0.34，導熱系數401W/m.k，熱膨脹系數1.8E-5/℃。

邊界約束：鎖緊孔固定

溫度條件：

水冷管溫度20度；

夾具壓緊面100度高溫。

2.5 求解設置

首先進行溫度場分析，選定熱邊界條件，進行熱分析。

熱結構耦合分析，選擇熱結構耦合分析類型，指定前置溫度場數據，指定邊界約束進行求解。

通過【運行】工具將定義的分析載荷工況進行提交求解， 根據問題規模設置內存和求解核數。

3.計算結果分析

利用PERA SIM Mechanical首先計算得到溫度場分布，可見夾持面處于高溫狀態，繞有水冷管的上部處于低溫，由于熱脹冷縮夾具夾持塊發生翹曲變形，最大翹曲量發生在底面邊角處，最大形變量為0.103mm，滿足加工精度要求。

溫度場分布

熱變形云圖

為了檢驗PERA SIM Mechanical的計算精度，利用PERA SIM PreMech進行模型輸出（.cdb）文件，直接輸入對標軟件計算，計算的結果偏差為2.8%，最大值位置完全一致。

4.總結

基于PERA SIM Mechanical熱分析及熱結構耦合分析功能，能完成從模型處理、加載求解、后處理分析全流程。計算得到夾具熱變形量，通過對標分析，驗證了國產仿真軟件PERA SIM Mechanical在熱結構耦合分析的適用性和可靠性。

作者：安世亞太工程師 易海鵬