基于Solidworks Simulation的陽極夾具有限元分析

摘 要：陽極夾具是碳素廠陽極焙燒車間用于搬運(yùn)陽極炭塊的專用設(shè)備。介紹了陽極夾具的結(jié)構(gòu)和工作原理。應(yīng)用Solidworks Simulation有限元分析軟件，對(duì)夾具整體進(jìn)行有限元分析。結(jié)果表明：夾具應(yīng)力最大值出現(xiàn)在夾臂臂桿與夾頭的連接拐角處；夾具的整體應(yīng)力值小于120 MPa，整體變形量約為27.83 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：陽極夾具 陽極炭塊 Solidworks simulation 有限元分析

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）07（b）-0100-01

陽極夾具是碳素廠陽極焙燒車間用于搬運(yùn)陽極炭塊的專用設(shè)備。因其具有工作可靠、操作簡(jiǎn)便、生產(chǎn)效率高、工人勞動(dòng)強(qiáng)度小等優(yōu)點(diǎn)，所以，在各大碳素廠得到廣泛應(yīng)用。以前，由于受技術(shù)手段的限制，夾具各受力件的結(jié)構(gòu)尺寸主要靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)來確定，無法對(duì)夾具的整體變形和各受力件的應(yīng)力分布情況進(jìn)行詳細(xì)了解并優(yōu)化，使得設(shè)計(jì)的夾具重量偏大。文中將采用Solidworks simulation有限元分析軟件，對(duì)夾具整體進(jìn)行有限元分析，觀測(cè)其整體變形量和各受力件的應(yīng)力分布情況，以期為日后夾具的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

陽極夾具主要由定位支座、左夾臂、右夾臂、吊掛、左拉桿、右拉桿、撐桿和自動(dòng)掛鉤等零部件組成，如圖1所示。其工作原理是：工作時(shí)，張開左、右夾臂夾頭的夾具在天車的吊運(yùn)下，從陽極炭塊上方放下，使定位支座的下表面與炭塊的上表面接觸后，夾具整體停止向下運(yùn)動(dòng)；在左、右夾臂臂桿、左、右拉桿以及吊掛等零部件的重力作用下，左、右夾臂分別繞著其與定位支座的鉸接軸轉(zhuǎn)動(dòng)，夾臂的夾頭繼續(xù)增大，同時(shí)，自動(dòng)掛鉤繼續(xù)向下直至打開夾具；隨后，當(dāng)天車吊起夾具時(shí)，在左、右夾臂臂桿和拉桿的作用下，左、右夾臂臂桿反向轉(zhuǎn)動(dòng)，夾臂的夾頭開度逐漸減小，直至夾緊陽極炭塊并將炭塊吊起。下放陽極炭塊時(shí)，當(dāng)炭塊下表面接觸到支承物而停止向下運(yùn)動(dòng)后，在左、右夾臂臂桿、拉桿以及吊掛的重力作用下，左、右夾臂分別繞著其與定位支座的鉸接軸轉(zhuǎn)動(dòng)，夾臂的夾頭張開；同時(shí)，自動(dòng)掛鉤繼續(xù)向下直至鎖住夾具，此時(shí)夾臂夾頭開度增至最大，夾具處于鎖住狀態(tài)，可繼續(xù)用于下一塊陽極炭塊的搬運(yùn)工作[1]。

1 Solidworks simulation軟件簡(jiǎn)介

Solidworks Simulation是SRAC公司基于FEA技術(shù)而開發(fā)的設(shè)計(jì)分析軟件。其能夠進(jìn)行零件和裝配體的靜態(tài)、熱傳導(dǎo)、扭曲、頻率、跌落測(cè)試、優(yōu)化、疲勞、非線性功能和動(dòng)力學(xué)分析[2]。

Simulation提供有一階四面體、二階四面體兩種實(shí)體單元類型。一階實(shí)體四面體單元有4個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有3個(gè)自由度。而二階實(shí)體四面體單元有10個(gè)節(jié)點(diǎn)（4個(gè)角點(diǎn)和6個(gè)中間節(jié)點(diǎn)），且每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有3個(gè)自由度，與一階實(shí)體四面體單元相比，其具有較好的繪圖能力和能模擬二階（拋物線形）的位移場(chǎng)以及相應(yīng)的一階應(yīng)力場(chǎng)，所以能保證更為精確的結(jié)果。

Simulation采用的應(yīng)力失效準(zhǔn)則是最大von Mises應(yīng)力準(zhǔn)則，是一個(gè)集中了三維應(yīng)力狀態(tài)的6個(gè)應(yīng)力分量的應(yīng)力度量值，其可以很好的描述大多數(shù)工程材料結(jié)構(gòu)安全的彈性和塑性性質(zhì)。當(dāng) von Mises 應(yīng)力等于應(yīng)力極限時(shí)，彈性材料開始在某位置屈服。其表達(dá)式如式1所示。

式中：σ1、uQOCMnoBGn9j4/u39BoPrg==σ2、σ3分別表示立方體單元的三個(gè)主應(yīng)力分量，方向垂直于單元表面。

Simulation提供有直接解算和FFEPlus迭代解算兩種解算方法。直接方法使用精確的數(shù)字方法求解方程式。迭代方法使用近似方法來求解方程式，在每次迭代中都會(huì)求出一個(gè)解，并評(píng)估關(guān)聯(lián)的誤差。迭代過程一直持續(xù)，直到誤差可以接受。

夾具在工作狀態(tài)時(shí)，整體變形量較大，且有限元求解過程中，結(jié)構(gòu)的變形可能會(huì)引起其剛度（結(jié)構(gòu)抗載荷的能力）的變化。鑒于以上問題Simulation提供了大型位移求解方法，即通過分步應(yīng)用載荷和更新幾何體對(duì)模型進(jìn)行求解，其求解結(jié)果更為精確。

2 三維模型建立及有限元分析

2.1 模型建立

三維模型采用Solidworks建模模塊進(jìn)行建立，為縮短計(jì)算時(shí)間，將除去吊掛與拉桿、拉桿與夾臂、夾臂與定位支座和撐桿與夾臂的鉸接軸，以及自動(dòng)掛鉤等零部件。

2.2 前處理

2.2.1 設(shè)置邊界條件

夾具夾起炭塊是通過夾臂的夾頭對(duì)陽極炭塊產(chǎn)生足夠大的正壓力，從而得到摩擦力，以克服炭塊自重，達(dá)到提升炭塊的目的。所以，邊界條件設(shè)置中，將兩個(gè)夾臂的夾頭表面設(shè)置為固定幾何體約束，完全限制其3個(gè)自由度。吊掛與拉桿、拉桿與夾臂、夾臂與定位支座以及撐桿與夾臂的鉸接軸孔處，均設(shè)置為銷釘接頭，限制鉸接軸孔的兩個(gè)圓柱面間沿軸向的相對(duì)位移。

2.2.2 施加載荷

載荷施加在吊掛軸孔面上。已知：炭塊自重G1為11000 N，夾具自重G2為4000 N，載荷系數(shù)取f1=1.25，慣性力系數(shù)取f2=1.2。所以，需施加的載荷F為：F=f1f2G1+G2）=1.25×1.2×11000+4000=20500 N，方向豎直向上.

2.2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格類型選用“高品質(zhì)”的二階實(shí)體單元。拉桿和吊掛的單元大小設(shè)為5 mm，其它零部件單元大小設(shè)為10 mm，劃分出的網(wǎng)格最大高寬比為19.04，高寬比大于10的單元占0.00432%。網(wǎng)格品質(zhì)滿足要求。

3 結(jié)語

夾臂的設(shè)計(jì)是陽極炭塊夾具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。運(yùn)用Solidworks Simulation有限元分析軟件，對(duì)夾具進(jìn)行了整體有限元分析。結(jié)果表明：（1）夾具的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在夾臂臂桿與夾頭的連接拐角處；（2）夾具的整體應(yīng)力值小于120 MPa，遠(yuǎn)小于材料許用值235 MPa；（3）夾具整體變形量約為27.83 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]柳盛飛.陽極自動(dòng)夾緊夾具的設(shè)計(jì)與分析[J].有色設(shè)備，1999（3）：1～4.

[2]陳超祥，葉修梓.Solidworks Simulation 基礎(chǔ)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.