基于PERA SIM Mechanical机床夹具热结构耦合分析

本文基于安世亚太自主研发的PERA SIM Mechanical结构仿真软件，对某机床夹具进行热分析及热结构耦合分析，获得机床夹具的稳态温度场以及热变形和热应力，用于指导和验证夹具的设计方案。证明了国产仿真软件PERA SIM Mechanical在热结构耦合分析的适用性和可靠性。

关键词：机床夹具；热分析；热结构耦合分析；PERA SIM Mechanical

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夹具作为机械加工的重要工具，是保证加工精度和质量的重要因素，直接影响工件的加工质量。夹具用于固定工件，应防止在高温下因为材料自身的热胀冷缩而导致工件发生形变，工装夹具设计应具有足够的刚性和稳定性，能够在高温环境下承受压力和变形。确保工装夹具能够保持稳定，不会发生变形或破损。在热处理过程中，工件和工装夹具都会发生热胀冷缩，因此设计时需要充分考虑这一点。若设计未考虑热稳定性，导致夹具在加工过程中因温度变化而产生热变形，将会影响加工精度。

夹具热设计是指在设计夹具时考虑到热传导和热膨胀等因素，以确保夹具在工作过程中能够有效地传导热量并保持稳定的工作状态。关键的设计因素包括选择合适的材料、合理的结构设计、有效的散热设计等。关键需利用热-结构耦合分析功能，评估夹具在温度载荷下的变形量，采取合适的夹具结构设计、增加松动补偿间隙、使用可调节的夹紧装置等方式，以适应热胀冷缩带来的变形和应力。

本文基于安世亚太自主研发的通用流体仿真软件PERA SIM Mechanical，对某型机床夹具进行了热结构耦合分析研究。

2.1 几何导入

PERA SIM Mechanical具有丰富的几何接口，几乎支持所有主流CAD软件生成模型的直接导入，如下图所示。

导入stp格式的带水冷管的夹具三维几何模型，该模型主要由夹块与水冷管组成，分析中采用实体模型进行分析。

2.2 实体网格划分

a) 网格设置相关考虑

对夹具夹块利用【四面体】网格划分器进行网格划分，方法为【通过实体】，设置基础参数单元尺寸4mm，最小尺寸1mm，最大尺寸8mm。打开【曲率控制】几何角度采用10度。

对水冷管部分，采用拉伸方法生成六面体。

b) 实体网格质量检查

通过检查工具中【3D检查】，设置相应的质量指标进行检测，超标的各指标会以不同颜色显示。其中【修复】功能可以对超标单元进行节点移动、切分等进行改进。更多情况下对三维网格采用重新定义单元尺寸控制进行网格划分。

2.3 联接关系设置

夹具和水冷管间仿真中采用绑定接触进行联接。可以通过手动定义来实现：首先定义全局参数选择永久绑定；指定接触属性勾选热绑定接触；定义接触域，水冷管单元定义一个域，夹块定于一个域；最终设定接触对。

2.4 材料及边界条件

夹具：钢材

密度值为7850kg/m3，弹性模量2.1E5MPa，泊松比0.3，导热系数60.5 W/m.k热膨胀系数1.2E-5 /℃。在软件中定义采用组合方式线弹性属性采用MAT1材料模板定义；导热系数采用MAT4类材料定义；利用自定义类型对两种属性进行组合即可。

水冷管：铜管

密度值为8300kg/m3，弹性模量1.1E5MPa，泊松比0.34，导热系数401W/m.k，热膨胀系数1.8E-5/℃。

边界约束：锁紧孔固定

温度条件：

水冷管温度20度；

夹具压紧面100度高温。

2.5 求解设置

首先进行温度场分析，选定热边界条件，进行热分析。

热结构耦合分析，选择热结构耦合分析类型，指定前置温度场数据，指定边界约束进行求解。

通过【运行】工具将定义的分析载荷工况进行提交求解， 根据问题规模设置内存和求解核数。

利用PERA SIM Mechanical首先计算得到温度场分布，可见夹持面处于高温状态，绕有水冷管的上部处于低温，由于热胀冷缩夹具夹持块发生翘曲变形，最大翘曲量发生在底面边角处，最大形变量为0.103mm，满足加工精度要求。

 温度场分布 

热变形云图

为了检验PERA SIM Mechanical的计算精度，利用PERA SIM PreMech进行模型输出（.cdb）文件，直接输入对标软件计算，计算的结果偏差为2.8%，最大值位置完全一致。

基于PERA SIM Mechanical热分析及热结构耦合分析功能，能完成从模型处理、加载求解、后处理分析全流程。计算得到夹具热变形量，通过对标分析，验证了国产仿真软件PERA SIM Mechanical在热结构耦合分析的适用性和可靠性。