基于Solidworks Simulation的阳极夹具有限元分析

基于Solidworks Simulation的阳极夹具有限元分析

作者：杨志强

来源：《科技资讯》2013年第20期

摘 要：阳极夹具是碳素厂阳极焙烧车间用于搬运阳极炭块的专用设备。介绍了阳极夹具的结构和工作原理。应用Solidworks Simulation有限元分析软件，对夹具整体进行有限元分析。结果表明：夹具应力最大值出现在夹臂臂杆与夹头的连接拐角处；夹具的整体应力值小于120 MPa，整体变形量约为27.83 mm，满足设计要求。

关键词：阳极夹具 阳极炭块 Solidworks simulation 有限元分析

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）07（b）-0100-01 阳极夹具是碳素厂阳极焙烧车间用于搬运阳极炭块的专用设备。因其具有工作可靠、操作简便、生产效率高、工人劳动强度小等优点，所以，在各大碳素厂得到广泛应用。以前，由于受技术手段的限制，夹具各受力件的结构尺寸主要靠设计者的经验来确定，无法对夹具的整体变形和各受力件的应力分布情况进行详细了解并优化，使得设计的夹具重量偏大。文中将采用Solidworks simulation有限元分析软件，对夹具整体进行有限元分析，观测其整体变形量和各受力件的应力分布情况，以期为日后夹具的优化设计提供依据。

阳极夹具主要由定位支座、左夹臂、右夹臂、吊挂、左拉杆、右拉杆、撑杆和自动挂钩等零部件组成，如图1所示。其工作原理是：工作时，张开左、右夹臂夹头的夹具在天车的吊运下，从阳极炭块上方放下，使定位支座的下表面与炭块的上表面接触后，夹具整体停止向下运动；在左、右夹臂臂杆、左、右拉杆以及吊挂等零部件的重力作用下，左、右夹臂分别绕着其与定位支座的铰接轴转动，夹臂的夹头继续增大，同时，自动挂钩继续向下直至打开夹具；随后，当天车吊起夹具时，在左、右夹臂臂杆和拉杆的作用下，左、右夹臂臂杆反向转动，夹臂的夹头开度逐渐减小，直至夹紧阳极炭块并将炭块吊起。下放阳极炭块时，当炭块下表面接触到支承物而停止向下运动后，在左、右夹臂臂杆、拉杆以及吊挂的重力作用下，左、右夹臂分别绕着其与定位支座的铰接轴转动，夹臂的夹头张开；同时，自动挂钩继续向下直至锁住夹具，此时夹臂夹头开度增至最大，夹具处于锁住状态，可继续用于下一块阳极炭块的搬运工作[1]。

1 Solidworks simulation软件简介

Solidworks Simulation是SRAC公司基于FEA技术而开发的设计分析软件。其能够进行零件和装配体的静态、热传导、扭曲、频率、跌落测试、优化、疲劳、非线性功能和动力学分析[2]。

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Simulation提供有一阶四面体、二阶四面体两种实体单元类型。一阶实体四面体单元有4个节点，每个节点具有3个自由度。而二阶实体四面体单元有10个节点（4个角点和6个中间节点），且每个节点具有3个自由度，与一阶实体四面体单元相比，其具有较好的绘图能力和能模拟二阶（抛物线形）的位移场以及相应的一阶应力场，所以能保证更为精确的结果。 Simulation采用的应力失效准则是最大von Mises应力准则，是一个集中了三维应力状态的6个应力分量的应力度量值，其可以很好的描述大多数工程材料结构安全的弹性和塑性性质。当 von Mises 应力等于应力极限时，弹性材料开始在某位置屈服。其表达式如式1所示。 式中：σ1、σ2、σ3分别表示立方体单元的三个主应力分量，方向垂直于单元表面。 Simulation提供有直接解算和FFEPlus迭代解算两种解算方法。直接方法使用精确的数字方法求解方程式。迭代方法使用近似方法来求解方程式，在每次迭代中都会求出一个解，并评估关联的误差。迭代过程一直持续，直到误差可以接受。

夹具在工作状态时，整体变形量较大，且有限元求解过程中，结构的变形可能会引起其刚度（结构抗载荷的能力）的变化。鉴于以上问题Simulation提供了大型位移求解方法，即通过分步应用载荷和更新几何体对模型进行求解，其求解结果更为精确。 2 三维模型建立及有限元分析 2.1 模型建立

三维模型采用Solidworks建模模块进行建立，为缩短计算时间，将除去吊挂与拉杆、拉杆与夹臂、夹臂与定位支座和撑杆与夹臂的铰接轴，以及自动挂钩等零部件。 2.2 前处理 2.2.1 设置边界条件

夹具夹起炭块是通过夹臂的夹头对阳极炭块产生足够大的正压力，从而得到摩擦力，以克服炭块自重，达到提升炭块的目的。所以，边界条件设置中，将两个夹臂的夹头表面设置为固定几何体约束，完全限制其3个自由度。吊挂与拉杆、拉杆与夹臂、夹臂与定位支座以及撑杆与夹臂的铰接轴孔处，均设置为销钉接头，限制铰接轴孔的两个圆柱面间沿轴向的相对位移。 2.2.2 施加载荷

载荷施加在吊挂轴孔面上。已知：炭块自重G1为11000 N，夹具自重G2为4000 N，载荷系数取f1=1.25，惯性力系数取f2=1.2。所以，需施加的载荷F为：F=f1f2G1+G2）=1.25×1.2×11000+4000=20500 N，方向竖直向上.

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2.2.3 网格划分

网格类型选用“高品质”的二阶实体单元。拉杆和吊挂的单元大小设为5 mm，其它零部件单元大小设为10 mm，划分出的网格最大高宽比为19.04，高宽比大于10的单元占0.00432%。网格品质满足要求。 3 结语

夹臂的设计是阳极炭块夹具设计的关键。运用Solidworks Simulation有限元分析软件，对夹具进行了整体有限元分析。结果表明：（1）夹具的应力最大值出现在夹臂臂杆与夹头的连接拐角处；（2）夹具的整体应力值小于120 MPa，远小于材料许用值235 MPa；（3）夹具整体变形量约为27.83 mm，满足设计要求。 参考文献

[1] 柳盛飞.阳极自动夹紧夹具的设计与分析[J].有色设备，1999（3）：1～4.

[2] 陈超祥，叶修梓.Solidworks Simulation 基础教程[M].北京：机械工业出版社，2010.