基于UG的涡流硬度检测台的研制与仿真分析

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本文首先对涡流硬度检测台的工作原理和特点进行了介绍，以UG软件为平台，完成设备的造型设计。同时针对检测台在检测过程中存在的碰撞问题，结合软件的运动分析与结构分析模块，对检测台底座进给速度问题进行仿真优化，并利用有限元方法对工件进行模态分析以及探头连接处螺钉的强度校验，最后也对整台设备的工作过程进行了仿真，实现了各系统间的协调运作。目前本检测台已投入使用并取得了良好的效果。
1、前言
& h. n, [- w; W4 ?: X. |# J* N0 t随着人们对产品质量的要求越来越高，无损检测技术在检测产品质量方面也得到越来越广泛的应用，在产品设计、加工制造、成品检验到在役检验过程中发挥了重要作用，为产品的生产加工和质量提供了保障。国内的无损检测起步于50年代，经过40年的研究，现在已经广泛应用在工业、交通、国防、经贸等领域。目前国外的无损检测技术正在从NDE向ANDE和QNDE发展，也就是说从一般的无损检测技术向自动无损检测和定量无损检测技术发展。加速检测过程、实现产品的连续在线检测，这对我国无损检测技术有着启发的作用。
当前，计算机仿真技术已成为许多工程领域进行系统分析、设计、评估的重要手段。由于可以替代试验，在产品设计和分析阶段就可以对设计对象进行考察及评价，与传统产品设计开发相比，可以大幅度降低产品开发成本。虚拟设计开发可在产品投产前对产品实现方案进行评估和优化，提高产品实现的可能性，缩短了产品开发周期。本文以UG为设计分析平台，UG是一套集CAD/CAM/CAE于一体的三维参数化软件，具有强大的建模、分析和加工功能。根据已建立的三维零件，利用UG的各种应用模块既可以对模型进行装配操作，创建二维工程图；也可以对机构进行运动学、动力学和有限元分析，进行设计评估和优化；最后，还可以根据模型设计工装夹具、进行产品加工。正是利用UG强大齐全的功能来对涡流硬度检测台进行设计造型和评估优化，以提高检测台投产的可行性。
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4 M1 U6 K/ W4 i2、涡流硬度检测的工作原理
涡流检测是无损检测五大常规方法中的一种，它利用电磁感应原理，用通有交变电流的探头线圈产生交变磁场，若试件置于产生的磁场中，则导体内将产生感应电动势和电流，进而引起载流线圈阻抗 的变化。
其函数关系为：
Z=F（μ、σ、r、t、x、I、f、N） （1）
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式中，Z—线圈阻抗；
μ—金属导体的磁导率；
σ—金属导体的电导率；
7 x" Q3 |: }3 }3 s; wr—线圈几何参数；
t—金属导体几何形状有关的参数；
x—线圈与金属导体相对位置参数；
' Q3 z8 G3 a' x& eI—激励电流强度；
" t/ f5 j, v+ o* S% V& G, W$ ?f—激励电流频率；
N—线圈绕组匝数；
/ U) M+ x' C' Y! Z+ U( P从(1)式中可以看出，一旦确定了工件几何、材料参数及涡流检测探头的参数，线圈阻抗 只和线圈与工件相对位置 有关，检测值对传感器与被测物体间的相对位置是非常敏感的，所以在设计检测台时应考虑到这一点，避免测量距离过大。一般检测距离要求在0.l~0.2mm。

* c/ ]( f; j, p- ?* v8 ^; u3、检测台的设计原理与三维建模
5 y) m0 R9 b5 |* ^# t2 `4 P设计该检测台主要用于对轴承座的热处理硬度检测，轴承座由于在工作过程中要承受交变、振动及冲击等载荷，可能还处在多种腐蚀介质环境中运行，超寿命、蠕变、应力集中、腐蚀，达到临界状态时便会出现疲劳失效，引发事故。所以对轴承座零件的硬度检测至关重要。
# g- |& @2 Y* g" J( w检测台主要由动力系统、电路系统、气动系统和打标系统组成，利用PLC实现各系统的协调工作。操作工人将标准工件置于升降台正确位置，将工件升至探头附近指定位置，进行试验初始化设置，待升降台返回初始位置，卸载标准工件。然后操作工人将待测工件置于升降台，启动上升按钮将工件升至探头附近指定位置，开始检测工件，判断工件合格与否，若合格，打标系统在工件外圈打上标记后升降台自动复位；若不合格，打标系统不工作，升降台保持原位不动，待操作工人启动下降按钮复位。首先根据设计方案在UG建模模块里建立检测台的三维模型。如图1所示，建立的模型为接下来的分析做准备。
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1、主机 2、检测探头 3、打标系统 4、工件 5、升降台
6、控制面板 7、机架 8、气动系统 9、PLC控制器 10、托架
5 ]* a- n$ n+ ]( n0 S图1 UG建立三维模型

4、检测台的仿真与分析
" h2 g3 e/ N& Q! S2 C对该硬度检测台的仿真主要使用UG软件提供的UG/MOTION模块和UG/SCENARIO FOR STRUCTURES模块进行动力学仿真和有限元分析，可以方便快捷地得到产品可视化效果和一些重要数据。检测台在检测过程中由于升降台运动到传感器时会对探头护圈有个冲击力作用，所以要设计好升降台速度，以避免冲击力过大而损坏护圈，从而影响检测结果。根据仿真所得数据对虚拟样机进行实验评价，大大简化了物理测试实验过程，有效地缩短产品的开发周期，大幅度低产品的开发成本。

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. v( J" p( A5 B! A" P8 h/ o( i; G4.1、检测台的动力学仿真
! M6 x0 L4 l+ Q; H在UG/MOTION模块里建立运动学模型，由于研究的是升降台与传感器护圈的接触问题，所以只对主要部件分别建立连杆和约束。建立的约束为：升降台与气缸间的滑动副；传感器对地固定；螺钉与护圈的圆柱副；护圈与升降台的3D接触副。3D接触副中的参数设置根据手册查得：STEEL与POLYURETHENE-HARD的接触刚度为3807.762N/mm，阻尼为1.52N－sec/mm,力指数为2，凹陷深度为0.1mm。采用不同速度来对机构进行动力学仿真分析来得到升降台与探头护圈之间的瞬间碰撞力数值。速度值如图3、4所示，用Step函数写入升降台运动副中，护圈与升降台产生的碰撞力如图5、6所示。
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图3 速度1

图4 速度2

& x) A2 n$ W0 k$ d& ]2 R7 _% C3 K采用图3速度运行时间为5秒，护圈受力为1000N；用图4速度则运行时间为10秒，护圈受力为250N，这就需要考虑到底选用哪个方案比较合适的问题，既要保证检测速度又不能损坏仪器，所以采用有限元方法将得到的这些数据用在对护圈结构分析及连接螺钉的校验中。
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图5 速度1产生的碰撞力

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图6 速度2产生的碰撞力

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4.2、检测台的有限元分析
在UG/SCENARIO FOR STRUCTURES模块中由前面动力学分析得到的结果，可以对检测台中的主要部件进行进一步分析。
4.2.1、轴承座的模态分析
3 }3 x2 X* }1 @. ~% |: e0 C9 m轴承座在工作过程中要承受交变、振动及冲击等载荷，所以有必要对其进行模态分析。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、模态质量、模态刚度、模态阻尼和模态振型。利用UG/SCENARIO FOR STRUCTURES前后处理器和StructuresP.E解算器对轴承座进行固有频率和固有振型的计算。采用10节点四面体单元(Tetral10)，对轴承座4个孔加固定的边界约束后的前六阶固有频率及具体振型如图7所示。从前六阶模态分析看，主要是圆柱部分的变形，振型最大发生在第五阶，频率为1.249e4HZ，最大位移为1.427mm。这一阶模态对工件动态特性影响较大，在实际工作中应尽量避开该频率以免轴承座损坏。

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图7 轴承座前六阶振型

4.2.2、护圈的有限元分析
在动力学分析部分已经得到了不同速度引起冲击力的数值，下面就将在结构分析模块对护圈应力应变进行考察，以选取合适的进给速度。在护圈中心圆柱部分加固定约束，护圈底面加相应的面载荷，得到的护圈应力应变如图8所示。从图中可以看出，当护圈底面受250N力时应变最大位移值为8.157e-3mm，应力最大为4.486e-1Mpa；当受力为1000N时，对应的应变最大位移值为3.263e-2mm，应力最大为1.794Mpa。POLYURETHENE-HARD材料的屈曲强度为82Mpa，两种方案都远远满足要求。另外，前面所提到的检测距离要求在0.l~0.2mm，在这两种情况下都能满足，护圈的变形没有超出范围。看来选用方案(1)(即护圈受力1000N，进给时间为5s)较合适，可还需要对护圈与探头连接螺钉进行校验，看是否也满足要求。
5 @3 V( m' e+ u# ]4.2.3、螺钉的有限元分析
- M# J8 e5 Q. _: x, `0 K设计方案中用3个GB845-85十字槽盘头自攻螺钉均布在护圈圆柱部分，与托架相连接。下面就将用上述数据对这3个螺钉进行校验。对模型进行简化，只提取1/4的模型，边界约束条件为：里圈为托架支杆加固定约束；外圈为护圈底面加面力，其值为碰撞力的1/4；护圈与螺钉约束x、z轴自由度；图9所示为护圈受力1000N，250N时的螺钉应力图。螺钉选用材料为Q235，屈服极限为235Mpa，取安全系数n=2，所以许用应力[σ]=117.5Mpa。在图a)中，螺钉所受应力σmax=4.334Mpa，σmax>[σ]，明显超出了许用范围；而方案(2)下螺钉所受应力为σmax=7.649 Mpa，σmax<[σ]满足强度要求。所以，即便是采用方案(1)能够加快进给速度，但螺钉所受的冲击超出许用范围不能采纳，相反方案(2)虽然进给速度较方案(1)要慢，但保证了螺钉的设计要求，所以应该选用方案(2)(即进给时间为10s)对检测台进行设计。



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图9 1000N下螺钉应力应变

5、结论
本检测台的设计基于虚拟样机技术，利用UG软件的强大功能并充分发挥建模、运动分析、结构分析各个模块的特点，很好地模拟了检测过程中存在的接触碰撞问题，分析比较所得到的结果数据，选择合适的设计方案，检验了设计的合理性。采用UG软件对产品投产前虚拟样机的设计与分析检验，从而有效地缩短了开发周期及减少开发成本，取得了很好的实际效果。

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多谢楼主！