基于Ansys Workbench多瓣抓斗的有限元分析

朱帥　文學(xué)洙

摘要：抓斗是以抓取泥沙及各種散裝貨物能啟閉的斗，顎板是抓斗工作裝置的主要承力構(gòu)件。該文采用Solidwoks創(chuàng)建多瓣抓斗的顎板的三維模型，然后導(dǎo)入Ansys Workbench 中，以抓取碎石為例，對單個顎板進(jìn)行應(yīng)力分析，以偏載作為工況要求，分析出最大應(yīng)力集中的位置，確定其大小是否滿足材料的屈服強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞： 抓斗；顎板；應(yīng)力分析

中圖分類號：TH248 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）09-2030-03

抓斗是一種自動抓取物品的取物裝置。多瓣抓斗是在此基礎(chǔ)上改進(jìn)的特殊多功能抓取裝置，工作在及其惡劣的環(huán)境下。因其顎板的特殊結(jié)構(gòu)可以就地裝卸大量的散貨物料（如糧食、煤、泥土、砂石等） 。裝卸機(jī)械上采用， 不但可以使物料的裝、卸、轉(zhuǎn)載效率大大提高，而且可以減輕工人的勞動強(qiáng)度。隨著社會的進(jìn)步和工程機(jī)械的發(fā)展， 多瓣抓斗的應(yīng)用越來越廣泛，對其的要求也越來越高[[1]]。顎板是抓斗工作裝置主要的結(jié)構(gòu)部件，是抓取物料重要的結(jié)構(gòu)部件 。它的強(qiáng)度狀況對抓斗工作裝置的性能及壽命有著非常重要的影響。為了更好地了解顎板在工況中的應(yīng)力分布情況，在確定工況的情況下，該文對顎板進(jìn)行了應(yīng)力分析，顎板所受的最大應(yīng)力需小于其材料的屈服強(qiáng)度值。

1 工況的選擇

因?yàn)槲锪戏N類和作業(yè)條件等不同，多瓣抓斗在實(shí)際工作時，顎板不可能受均布載荷，但為了計(jì)算方便簡化成固定的均勻載荷[[2]]。該文抓取的物料選擇碎石塊（5mm～40mm），其密度為1550kg/m3，顎鏟插入石塊的垂直距離為250mm的那一瞬時作為工況進(jìn)行強(qiáng)度分析。

2 抓斗顎板的三維模型的建立

雖然Ansys Workbench有其自建模功能，但建模功能有限。而SolidWorks是一款很簡便的三維繪圖軟件，其功能簡單，思路清晰，因此本文利用SolidWorks創(chuàng)建多瓣抓斗的三維模型，該抓斗模型的抓取裝置是由6塊顎板組成，根據(jù)分析的要求選取其中的一個作為分析對象，其模型如圖1所示：

顎板模型的材料為Q235，性能參數(shù)如表1：

3.1 模型的網(wǎng)格劃分

在Ansys Workbench中有兩種網(wǎng)格劃分方法，一種是四面體網(wǎng)格劃分，四面體網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)在于能夠容易的生成網(wǎng)格，逼近型面程度高，但是計(jì)算精度不高，且生成網(wǎng)格數(shù)量太大，因而計(jì)算量較大。這種方法適合于各種模型，是一種高效的網(wǎng)格劃分方法。另一種是六面體網(wǎng)格劃分，六面體網(wǎng)格更容易實(shí)現(xiàn)壁面處的正交性原則，因而計(jì)算精度較高，速度快，但是對型面逼近較差。

對于抓斗裝置而言，模型有刀刃的尖角，但是大部分都為規(guī)則的模型，因此我們使用的是計(jì)算精度更高的六面體網(wǎng)格劃分。

網(wǎng)格數(shù)量的增加會提高求解精度，但是網(wǎng)格數(shù)量的增加會增加計(jì)算量，而網(wǎng)格數(shù)量增加到一定數(shù)量之后，求解精度的提高卻是有限的，故劃分網(wǎng)格之前要衡量好網(wǎng)格密度與求解精度之間的取舍。

生成的網(wǎng)格模型共有節(jié)點(diǎn)數(shù)45234個，單元數(shù)12037，單元尺寸20mm，網(wǎng)格類型為：mesh 200[[3]]。

3.2 載荷與約束的施加

當(dāng)顎板網(wǎng)格化以后，需要對其進(jìn)行約束。約束的施加為抓斗裝置顎板臂的4個旋轉(zhuǎn)孔處，這樣能更好地模擬抓斗裝置瞬時的工況。如圖3所示：

顎板在抓取物料的時候，當(dāng)顎鏟插入物料的垂直距離為250mm時，每個抓斗受到來自物料本身的四個力作用，分別為水平切入阻力[F1]=1614N、側(cè)向刃口力[F2]=[F3]=1099N、物料對刃口產(chǎn)生的阻力[F4]=[F5]=1863N、物體的擠壓力[F6]=670N[[4]]。

4 抓斗顎板有限元分析后處理

進(jìn)行仿真分析，得到顎板應(yīng)力分布圖，如下圖所示。

結(jié)果：

5 結(jié)束語

通過分析得出，顎板在抓取物料的過程中應(yīng)力集中發(fā)生在顎板臂的旋轉(zhuǎn)孔處，得44.446MPa。它遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于顎板材料的屈服強(qiáng)度235MPa，即44.446MPa<235MPa，所以符合設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 劉俊梅.于曉龍.大型抓斗式挖泥船有限元法結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國水運(yùn)2013（01）.

[4] 肖漢斌.張永濤.路世青，等. 疏浚抓斗平挖運(yùn)動研究與仿真[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2013（06）.