论文部分内容阅读
摘要：夹坯装置是蒸压加气混凝土砌块生产线中坯体平移机的的重要装置，其主要部件夹爪性能的优劣，决定其经济性及使用寿命，对标砖生产线至关重要。机械结构设计是机械制造当中一个非常重要的环节，它的设计水平会对产品的质量产生直接的影响。对机械结构设计进行优化，不仅能够提高机械结构设计的水平，还能够改进传统设计的缺陷，进而提高机械产品的质量。本文主要对一种夹坯装置的机械机构进行优化设计，使夹爪的设计合理，应力分布均匀，提高夹爪的设计质量，减少试验环节，缩短设计周期。
关键词：Solidworks Simulation，夹爪，分析与改进，
引言
随着社会的进步，加气混凝土砌块正在逐步替代传统填充墙材料成为主流产品，在加气混凝土砌块的打包转运过程中需要经常使用一种自动化夹具——夹坯装置，而夹爪在夹坯装置中作为关键部件，它的性能好坏直接影响着砌块抓取的工作效率与寿命。因此夹爪的尺寸参数设计合理才能满足承载性能，夹爪在工作中要承受复杂的工作载荷，为减轻夹爪质量提高灵活性，并防止夹爪在工作时出现强度不足导致结构断裂，借助计算机进行辅助设计利用Solidworks软件建立三维模型，然后在SolidWorks插件Simulation中搭建有限元模型，对模型进行静力分析，验证模型的应力变化，并基于多目标优化设计方法对模型进行优化设计，保证模型设计的合理性。从而达到降低产品结构复杂性，缩短生产周期和降低生产成本的目的。所以机械生产企业应该将优化设计方法应用到企业的产品设计中，进而达到提高产品质量和缩短设计周期的目的
1.夹爪三维建模
夹爪夹持的砌块坯体形状通常情况下外形尺寸为1200X1200X1200mm，砌块的质量由表1参数可知其总重为518.4～1425.6kg，设计为两个方向夹持。
夹坯装置主要是框架，油缸，夹爪等构成，其作用是夹持，并移动上述砌块，夹爪的运动主要依靠液压缸控制，确保张开和闭合的运动。Solidworks作为三维设计软件，已成为一种非常成熟的实体框架模型设计系统。对夹爪各部位进行三维设计，再通过三维建立模型SolidWorks软件对夹坯装置进行实体建模，体现实体特征，通过各个零部件的组合，装配成夹坯装置，如图1所示。
2受力分析
夹爪在工作时，因在夹持不同重量的砌块时受到的力不同，所以只针对在夹持最大重量砌块时进行计算。夹爪满载时，即油缸作用在夹爪上向内移动夹紧砌块，并向上提升砌块，如图2所示。
图2中，F1为油缸拉力，FP为夹持砌块时对抓爪的反作用力，F2和F3为滑块对抓爪的拉力，F4为扶持偏斜砌块时的扶持力，M为滑块对抓爪的平衡力矩，G为所夹持砌块的重量。
首先计算出夹持砌块时对抓爪的反作用力FP，由油缸驱动两夹爪向内侧移动并夹紧砌块，使夹爪胶条与砌块表面的摩擦力大于重力。砌块的质量取最大值1425.6kg。夹力是由油缸产生，因此F1=FP。
FP—夹持砌块时对抓爪的反作用力，单位N;
G—砌塊重量;
μ—胶条与砖体间的摩擦因数，取0.3;
η—安全系数，此处取η=1.5;
3夹爪的静力分析
在现代机械装备的研发过程中，传统的研究方法复杂、成本高、花费时间长，已经不适应现代装备发展的需求。虚拟仿真设计提高了研究效率，具有一定的扩展性、兼容性和前瞻性，是装备研发的一个重要手段。产品的设计过程包括方案设计、初步设计、验证设计3个阶段，其中验证阶段是至关重要的，采用SolidWorks软件的Simulation插件是一个高效的有限元分析软件，可以利用高度交互的可视化环境建立夹爪的有限元模型，并应用其强大的功能来修正夹爪几何模型中的错误和冗余，从而提升建模效率。采用Simulation插件对夹爪进行静力学分析，主要过程如图3所示，模型的验证主要过程在SolidWorks软件中建立三维模型，并利用Simulation插件进行有限元网格划分，定义夹爪的材料属性、约束、载荷等，最后求解处夹爪的应力及位移，应力反映出模型的受力情况，位移反映出模型的变形，因此在位移允许的范围内通过应力对模型进行结构改进。
夹爪的材料属性如表2所示，当夹爪夹取砌块时受到油缸施加的夹紧力F1，同时受到夹持砌块时对抓爪下端的反作用力FP。为使有限元分析环境接近于实际受力情况，采用装配进行有限元分析，以简化去除F2、F3、F4和力矩M1、M2。采用Solidworks软件建立夹爪的三维模型，并利用simulation插件对其进行网格化，并应用网格控制技术，对不同部位选取合适的网格单元大小进行网格划分，为了保证计算的精确度，采用四面体网格，网格的大小在35-50mm之间，雅克比点数4，采用标准网格器（Voronoi-Delaunay网格化方案）进行混合网格划分，划分后共计23612个单元，施加边界条件，如图4所示：
通过对夹爪的有限元分析，对夹爪在临界条件下，及夹爪满载时，采用simulation插件分析夹爪的应力，由图5可知，夹爪受到的最大应力出现在夹爪L形的拐角处，VonMises（冯氏）最大应力为165.9MPa，最大位移发生在夹爪夹紧砌块的胶条处，为3.038mm。
4夹爪的优化改进
夹爪的最大位移为3.038mm，变形为设备运行工况的允许范围内。夹爪的最大应力为165.9MPa，且出现了较为异常的应力集中现象，虽然并未超过材料的屈服强度，但是根据该设备的使用环境，使用频率，保证其使用寿命，在长期的设计验证的经验下确定该设备的最大应力不能大于80MPa，故该种结构的受力分析结果不符合要求，需要改变设计形式或对局部进行加强以达到设计要求。同时根据应力云图的分析认为该夹爪存在部分材料冗余设计，需要进行减小材料或去除优化，以减轻夹爪重量，提高设备运行高效平稳性。
优化后再次对模型进行有限元分析，获得结果如图6所示。其中最大应力依然出现在夹爪L形拐角处，但是因为采用大圆弧角过度的设计，应力下降为77.19MPa，达到经验参数80MPa以下;最大位移依然发生在夹爪夹紧砌块的胶条处，减小为2.151mm，在允许的范围之内。相比较优化之前应力下降了53.5%，位移下降了29.2%。由于优化后去除了部分冗余材料，并对板厚进行了调整，夹爪应力分布更加均匀，使得夹爪总体重量由609.62kg变为459.37kg，下降了29.3%。该结构满足了夹爪的设计要求，并使得重量下降，提升了整个装置运行的平稳性。
5结语
利用SolidWorks软件建立夹爪的三维模型，显示模型的特征，并用Simulation插件进行有限元分析，通过对模型进行网格化以及施加材料属性和边界条件求得模型的应力以及位移。分析的目的主要是，在尽量减小因简化而造成的计算误差的前提下，指导机械结构设计的改进设计。根据有限元分析结果，对该类型夹爪进行了适当的改进。对改进后的夹爪再次进行有限元分析，结果表明在应力较为集中超过设计要求的部位进行局部优化设计并有效降低，部分冗余设计材料去除后对结构的强度不具有改变，使得整个夹爪的设计更加合理，应力分布更加合理，提高了夹爪的设计质量，减少了试验环节，缩短了设计周期，达到了设计目的，为合理解决同类共性问题提供了具有参考价值的分析方法。
参考文献
[1] 江洪 陈燎 王智 SolidWorks有限元分析实例解析，北京：机械工业出版社，2007.01
[2] GB/T11968-2006 蒸压加气混凝土砌块
[3] 成大先 机械设计手册，北京：化学工业出版社，2008.1
关键词：Solidworks Simulation，夹爪，分析与改进，
引言
随着社会的进步，加气混凝土砌块正在逐步替代传统填充墙材料成为主流产品，在加气混凝土砌块的打包转运过程中需要经常使用一种自动化夹具——夹坯装置，而夹爪在夹坯装置中作为关键部件，它的性能好坏直接影响着砌块抓取的工作效率与寿命。因此夹爪的尺寸参数设计合理才能满足承载性能，夹爪在工作中要承受复杂的工作载荷，为减轻夹爪质量提高灵活性，并防止夹爪在工作时出现强度不足导致结构断裂，借助计算机进行辅助设计利用Solidworks软件建立三维模型，然后在SolidWorks插件Simulation中搭建有限元模型，对模型进行静力分析，验证模型的应力变化，并基于多目标优化设计方法对模型进行优化设计，保证模型设计的合理性。从而达到降低产品结构复杂性，缩短生产周期和降低生产成本的目的。所以机械生产企业应该将优化设计方法应用到企业的产品设计中，进而达到提高产品质量和缩短设计周期的目的
1.夹爪三维建模
夹爪夹持的砌块坯体形状通常情况下外形尺寸为1200X1200X1200mm，砌块的质量由表1参数可知其总重为518.4～1425.6kg，设计为两个方向夹持。
夹坯装置主要是框架，油缸，夹爪等构成，其作用是夹持，并移动上述砌块，夹爪的运动主要依靠液压缸控制，确保张开和闭合的运动。Solidworks作为三维设计软件，已成为一种非常成熟的实体框架模型设计系统。对夹爪各部位进行三维设计，再通过三维建立模型SolidWorks软件对夹坯装置进行实体建模，体现实体特征，通过各个零部件的组合，装配成夹坯装置，如图1所示。
2受力分析
夹爪在工作时，因在夹持不同重量的砌块时受到的力不同，所以只针对在夹持最大重量砌块时进行计算。夹爪满载时，即油缸作用在夹爪上向内移动夹紧砌块，并向上提升砌块，如图2所示。
图2中，F1为油缸拉力，FP为夹持砌块时对抓爪的反作用力，F2和F3为滑块对抓爪的拉力，F4为扶持偏斜砌块时的扶持力，M为滑块对抓爪的平衡力矩，G为所夹持砌块的重量。
首先计算出夹持砌块时对抓爪的反作用力FP，由油缸驱动两夹爪向内侧移动并夹紧砌块，使夹爪胶条与砌块表面的摩擦力大于重力。砌块的质量取最大值1425.6kg。夹力是由油缸产生，因此F1=FP。
FP—夹持砌块时对抓爪的反作用力，单位N;
G—砌塊重量;
μ—胶条与砖体间的摩擦因数，取0.3;
η—安全系数，此处取η=1.5;
3夹爪的静力分析
在现代机械装备的研发过程中，传统的研究方法复杂、成本高、花费时间长，已经不适应现代装备发展的需求。虚拟仿真设计提高了研究效率，具有一定的扩展性、兼容性和前瞻性，是装备研发的一个重要手段。产品的设计过程包括方案设计、初步设计、验证设计3个阶段，其中验证阶段是至关重要的，采用SolidWorks软件的Simulation插件是一个高效的有限元分析软件，可以利用高度交互的可视化环境建立夹爪的有限元模型，并应用其强大的功能来修正夹爪几何模型中的错误和冗余，从而提升建模效率。采用Simulation插件对夹爪进行静力学分析，主要过程如图3所示，模型的验证主要过程在SolidWorks软件中建立三维模型，并利用Simulation插件进行有限元网格划分，定义夹爪的材料属性、约束、载荷等，最后求解处夹爪的应力及位移，应力反映出模型的受力情况，位移反映出模型的变形，因此在位移允许的范围内通过应力对模型进行结构改进。
夹爪的材料属性如表2所示，当夹爪夹取砌块时受到油缸施加的夹紧力F1，同时受到夹持砌块时对抓爪下端的反作用力FP。为使有限元分析环境接近于实际受力情况，采用装配进行有限元分析，以简化去除F2、F3、F4和力矩M1、M2。采用Solidworks软件建立夹爪的三维模型，并利用simulation插件对其进行网格化，并应用网格控制技术，对不同部位选取合适的网格单元大小进行网格划分，为了保证计算的精确度，采用四面体网格，网格的大小在35-50mm之间，雅克比点数4，采用标准网格器（Voronoi-Delaunay网格化方案）进行混合网格划分，划分后共计23612个单元，施加边界条件，如图4所示：
通过对夹爪的有限元分析，对夹爪在临界条件下，及夹爪满载时，采用simulation插件分析夹爪的应力，由图5可知，夹爪受到的最大应力出现在夹爪L形的拐角处，VonMises（冯氏）最大应力为165.9MPa，最大位移发生在夹爪夹紧砌块的胶条处，为3.038mm。
4夹爪的优化改进
夹爪的最大位移为3.038mm，变形为设备运行工况的允许范围内。夹爪的最大应力为165.9MPa，且出现了较为异常的应力集中现象，虽然并未超过材料的屈服强度，但是根据该设备的使用环境，使用频率，保证其使用寿命，在长期的设计验证的经验下确定该设备的最大应力不能大于80MPa，故该种结构的受力分析结果不符合要求，需要改变设计形式或对局部进行加强以达到设计要求。同时根据应力云图的分析认为该夹爪存在部分材料冗余设计，需要进行减小材料或去除优化，以减轻夹爪重量，提高设备运行高效平稳性。
优化后再次对模型进行有限元分析，获得结果如图6所示。其中最大应力依然出现在夹爪L形拐角处，但是因为采用大圆弧角过度的设计，应力下降为77.19MPa，达到经验参数80MPa以下;最大位移依然发生在夹爪夹紧砌块的胶条处，减小为2.151mm，在允许的范围之内。相比较优化之前应力下降了53.5%，位移下降了29.2%。由于优化后去除了部分冗余材料，并对板厚进行了调整，夹爪应力分布更加均匀，使得夹爪总体重量由609.62kg变为459.37kg，下降了29.3%。该结构满足了夹爪的设计要求，并使得重量下降，提升了整个装置运行的平稳性。
5结语
利用SolidWorks软件建立夹爪的三维模型，显示模型的特征，并用Simulation插件进行有限元分析，通过对模型进行网格化以及施加材料属性和边界条件求得模型的应力以及位移。分析的目的主要是，在尽量减小因简化而造成的计算误差的前提下，指导机械结构设计的改进设计。根据有限元分析结果，对该类型夹爪进行了适当的改进。对改进后的夹爪再次进行有限元分析，结果表明在应力较为集中超过设计要求的部位进行局部优化设计并有效降低，部分冗余设计材料去除后对结构的强度不具有改变，使得整个夹爪的设计更加合理，应力分布更加合理，提高了夹爪的设计质量，减少了试验环节，缩短了设计周期，达到了设计目的，为合理解决同类共性问题提供了具有参考价值的分析方法。
参考文献
[1] 江洪 陈燎 王智 SolidWorks有限元分析实例解析，北京：机械工业出版社，2007.01
[2] GB/T11968-2006 蒸压加气混凝土砌块
[3] 成大先 机械设计手册，北京：化学工业出版社，2008.1