- 文献综述（或调研报告）：
虽然计算机辅助夹具设计（Computer Aided Fixture Design，简称 CAFD）是现代夹具设计的发展趋势[1]，但是目前市场缺乏成熟的能够投入商业运营的 CAFD 系统[2]。而且，当前的研究成果还只能解决安装、定位与夹紧等问题[1]，至于夹具定位精度、夹具结构图和夹具结构分析等方面，还是停留在传统的方式，即试误法[3]（虽然一些大型企业采用有限元分析对夹具进行结构优化，但是更多的中小型企业还是凭借经验来进行设计）。
在夹具设计过程中，切削力和夹紧力是非常重要的因素，他们的计算是必不可少的。其中，切削力是设计和使用机床、夹具、刀具的基本依据。切削力的大小可采用理论公式及经验公式两种方法来计算[4]。但由于金属切削过程本身的复杂性，目前还没有成熟的理论计算公式供选用。现有公式算出的切削力与实测相差甚远；经验公式建立在实验基础上，以走刀量、切削深度等为变量的幂函数再乘上一个系数及若干修正系数所组成。用经验公式算出的切削力比较正确，但计算复杂，不适用于车间现场使用。用单位切削力乘以切削面积和若干因切削条件改变的修正系数计算切削力[5]，也是经验公式的一种形式，它避免了指数运算，甚为方便，但其关键还是要知道被加工材料的单位切削力。
在机床上加工零件时,为了保证加工精度,必须先对工件进行定位并将其夹紧。夹具夹紧力的作用主要用来保证工件的定位基准与定位件保持良好的接触,使加工时不致于受切削力、离心力、惯性力、工件自重等作用而移位[6]。夹紧力通过其大小、作用点和方向来体现,在夹具设计过程中十分重要。确定夹紧力大小的原则[7]是,夹紧时不得破坏工件的准确定位,工件在夹紧后的变形和受压表面的损伤不允许超过技术条件所允许的范围。夹紧力直接影响工件的安装可靠性、夹紧变形、定位准确性和加工精度。实际加工过程中,影响夹紧力的因素很多,计算也非常复杂。严格意义上说,夹紧力是一个粗略的估算值[8]。机械加工时,工件受到切削力、离心力、惯性力、工件自重等作用,为了保证夹紧可靠,夹紧力必须与上述各力相平衡。但不同情况下,各种力的方向、大小都不相同,因此不能用通式来描述夹紧力与各力之间的关系。
有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程（CAE）软件，能与多数计算机辅助设计（CAD，computer Aided design）软件接口，实现数据的共享和交换，其运用范围非常广泛。有限元分析的过程包括问题及求解域定义，求解域离散化，确定状态变量及控制方法，单元推导，总装求解，联立方程组求解及结果解释等。简言之，有限元分析可分成三个阶段，前置处理、计算求解和后置处理[9,15]。前置处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后置处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。ANSYS workbench是ANSYS软件的继承和发展，是用ANSYS求解实际问题的新一代产品，给ANSYS的求解提供了强大的功能。这种环境为CAD系统提供了全新平台，保证设计的最好CAD结果。相比于经典的ANSYS，workbench在模型导入方面更胜一筹，其操作界面和主流的三维设计软件很相似，界面更加友好。利用workbench中的静力分析，可以得到钻扩铰夹具在切削力和夹紧力作用下的应力和应变情况[10,11,18]。
利用workbench分析夹具零件时，主要步骤包括以下几步[12,13,16]：有限元分析前处理：实体建模，模型导入，材料属性设置，单元类型选择及网格划分，指定约束方式，指定加载方式。Workbench会根据模型自动进行计算求解。有限元分析后处理：有限元分析后处理是对求解结果的检查及分析，也是分析中最重要的环节之一。在后处理中可以得到多种不同的结果，如各个方向或总应变、应力应变、接触工具、反应力等。不同分析类型的求解结果会不同。对于利用workbench分析夹具装配体，基本步骤与分析零件时相同，但是要注意接触的设置和弹性体与刚体的区别以及各步骤的操作差异等[14,18]。相对来说，分析装配体考虑的问题更多，计算更加复杂，甚至可能涉及到非线性求解。
结构优化设计大致可分为以下三个阶段：第一个阶段是建立数学模型，把工程结构的设计问题转化成数学规划问题；第二阶段是选定合理有效的优化分析方法，包括最优化计算方法和结构重分析计算方法；第三个阶段是编制相应的优化分析程序。结构优化设计有三大要素，即设计变量、目标函数和约束条件。ANSYS 程序提供了两种优化的方法，零阶方法和一阶方法。除此之外，用户可以提供外部的优化算法替代ANSYS本身的优化方法[3]。
1. 零阶方法(直接法)：这是一个完善的零阶方法，使用所有因变量(状态变量和目标函数)的逼近。该方法是通用的方法，可以有效的处理绝大多数的工程问题。需要优化迭代次数多。
2. 一阶方法(间接法)：本方法使用偏导数，即使用因变量的一阶偏导数。此方法精度较高，尤其是在因变量变化很大，设计空间也相对较大时。但是，每次优化迭代消耗的机时较多。
3. 用户提供的优化方法：外部的优化程序(USEROP)可以代替ANSYS优化过程。对于零阶方法和一阶方法这两种方法，ANSYS程序提供了一系列的分析－评估－修正的循环过程。就是对于初始设计进行分析，对分析结果就设计要求进行评估，然后修正设计。这一循环过程重复进行直到所有的设计要求都满足为止。
除了零阶方法和一阶方法这两种优化方法，ANSYS程序还提供了一系列的优化工具以提高优化过程的效率。例如，随机优化分析的迭代次数是可以指定的。随机计算结果的初始值可以作为优化过程的起点数值。
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