آنالیز تحلیلی و عددی نیروهای عکس‌العمل در قید و بند قطعات با هندسه چندوجهی

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسنده

استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک و مکاترونیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

10.22044/jsfm.2020.8494.2925

چکیده

در قید و بندها، نیروهای عکس‌العمل در نقاط جاسازی در اثر اعمال نیروهای خارجی شامل نیروهای بست و ماشین‌کاری ایجاد می‌شوند. اندازه این نیروها در طراحی قید و بندها حائز اهمیت بالایی بوده و به عنوان ورودی در مراحلی همچون طرح‌ریزی قید و بندها، طراحی المان‌ها و صحت‌سنجی استفاده می‌شود. در این مقاله، روشی چابک و دقیق بر مبنای اصل کمینه اندازه نیروها، برای محاسبه نیروهای عکس‌العمل در قید و بندهای ماشین‌کاری پیشنهاد می‌شود. روش پیشنهادی، قابلیت پیش‌بینی اندازه این نیروها را بدون نیاز به اجرای شبیه‌سازی المان محدود فراهم می‌سازد. برای صحت‌سنجی مقادیر پیش‌بینی شده از تئوری، شبیه‌سازی عددی به‌کمک نرم‌افزار آباکوس بر روی قطعات با هندسه چندوجهی اجرا شده است. با مقایسه نتایج، انطباق مناسبی بین مقادیر پیش‌بینی شده برای مؤلفه عمودی نیروهای عکس‌العمل از تئوری، نتایج آنالیز عددی و نتایج ارائه‌شده در پژوهش‌های پیشین مشاهده شد. بیشینه خطا در پیش‌بینی نیروهای نرمال بر سطح از تحلیل پیشنهادی نسبت به نتایج شبیه‌سازی 9/3% بدست آمد. مقادیر بدست‌آمده از تحلیل ارائه‌شده برای مؤلفه مماسی نیروهای عکس‌العمل دقیق نبوده و قابل اعتنا نیست. هرچند این موضوع را می‌توان به‌عنوان یکی از نقاط ضعف تحلیل ارائه‌شده دانست؛ ولیکن، با توجه به اندازه اندک این نیروها، امکان چشم‌پوشی از آن‌ها در طراحی قید و بندها وجود دارد. اثر پارامترهای مؤثر شامل ضریب اصطکاک و نیروی بست بر روی نتایج نیز مطالعه شد. تطابق مناسب بین پیش‌بینی‌های تئوری و نتایج عددی، بیانگر کارائی مدل ارائه‌شده برای محاسبه سریع نیروهای عکس‌العمل در قید و بند قطعات با هندسه چندوجهی است.

کلیدواژه‌ها


[1] Filho JMC, Medeiros RD, Cardoso RP (2017) A contribution for increasing workpiece location accuracy in a 3-2-1 fixture system. Proc IMechE Part B: J Eng Manuf 2017: 1-4.

[2] Sabareeswaran M, Padmanaban K, Sundararaman K (2017) Comparison of evolutionary techniques for the optimization of machining fixture layout under dynamic conditions. Proc IMechE Part C: J Mech Eng Sci 2017: 1-14.

[3] Parvaz H, Nategh MJ (2015) Analytical model of locating system design for parts with freeform surfaces. Modares Mech Eng 15(13): 129-133.

[4] Parvaz H, Nategh MJ (2015) Stability analysis of free-form workpieces in fixtures, Modares Mech Eng 16(2): 245-252.

[5] Jiang Z, Tang X (2019) Optimization of fixture flexibility for irregular geometries of workpiece based on metamorphic mechanisms. Int J Adv Manuf Technol 103: 325-342.

[6] Xing Y (2017) Fixture Layout Design of Sheet Metal Parts Based on Global Optimization Algorithms. J Manuf Sci Eng 139(10): 101004.

[7] Calabrese M, Primo T, Del-Prete A (2017) Optimization of Machining Fixture for Aeronautical Thin-walled Components. Proc CIRP 60: 32-37.

[8] Das A, Franciosa P, Ceglarek D (2015) Fixture design optimisation considering production batch of compliant non-ideal sheet metal parts. Proc Manuf 1:  157-168.

[9] Chou YC, Chandru V, Barash MM (1989) A mathematical approach to automatic configuration of machining fixtures: Analysis and synthesis. J Eng Ind 111(4): 299-306.

[10] Lee SH, Cutkosky M (1991) Fixture planning with friction. J Eng Ind 113(3): 320-327.

[11] Cai W, Hu SJ, Yuan J (1996) Deformable sheet metal fixturing: principles, algorithms, and simulations. J Manuf Sci Eng 118(3): 318-324.

[12] Marin RA, Ferreira PM (2002) Optimal placement of fixture clamps: Minimizing the maximum clamping forces. J Manuf Sci Eng 124(3): 686-694.

[13] Hurtado JF, Melkote SN (2002) A model for synthesis of the fixturing configuration in pin-array type flexible machining fixtures. Int J Mach Tool Manuf 42(7): 837-849.

[14] Kang Y, Rong Y, Yang J (2003) Computer-aided fixture design verification. Part 3. Stability analysis. Int J Adv Manuf Technol 21(10-11): 842-849.

[15] Kaya N, Öztürk F (2003) The application of chip removal and frictional contact analysis for workpiece–fixture layout verification. Int J Adv Manuf Technol 21(6): 411-419.

[16] Satyanarayana S, Melkote S (2004) Finite element modeling of fixture–workpiece contacts: single contact modeling and experimental verification. Int J Mach Tool Manuf 44(9): 903-913.

[17] Kaya N (2006) Machining fixture locating and clamping position optimization using genetic algorithms. Comput Ind 57(2): 112-120.

[18] Wang Y, Chen X, Liu Q, Gindy N (2006) Optimisation of machining fixture layout under multi-constraints. Int J Mach Tool Manuf 46(12-13): 1291-1300.

[19] Chen W, Ni L, Xue J (2008) Deformation control through fixture layout design and clamping force optimization. Int J Adv Manuf Technol 38(9-10): 860-867.

[20] Parvaz H, Nategh MJ (2013) A pilot framework developed as a common platform integrating diverse elements of computer aided fixture design. Int J Prod Res 51(22): 6720-6732.

[21] Jiang K, Zhou X, Li M, Kong X (2013) A multi-objective optimization and decision algorithm for locator layout continuous searching in checking fixture design. Int J Adv Manuf Technol 67(1-4): 357-366.

[22] Xiong L, Molfino R, Zoppi M (2013) Fixture layout optimization for flexible aerospace parts based on self-reconfigurable swarm intelligent fixture system. Int J Adv Manuf Technol 66(9-12): 1305-1313.

[23] Nategh MJ, Parvaz H (2018) Development of computer aided clamping system design for workpieces with freeform surfaces. CAD 95: 52-61.

[24] Parvaz H, Nategh MJ (2018) Development of locating system design module for freeform workpieces in computer-aided fixture design platform. CAD 104(1): 1-14.

[25] Li B, Melkote SN (1999) An elastic contact model for the prediction of workpiece-fixture contact forces in clamping. J Manuf Sci Eng 121(3): 485-493.