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陽極炭塊的專用設備。介紹了陽極夾具的結構和工作原理。應用Solidworks Simulation有限元分析軟件，對夾具整體進行有限元分析。結果表明：夾具應力最大值出現在夾臂臂桿與夾頭的連接拐角處；夾具的整體應力值小于120 MPa，整體變形量約為27.83 mm，滿足設計要求。

關鍵詞：陽極夾具 陽極炭塊 Solidworks simulation 有限元分析

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：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陽極炭塊的專用設備。因其具有工作可靠、操作簡便、生產效率高、工人勞動強度小等優點，所以，在各大碳素廠得到廣泛應用。以前，由于受技術手段的限制，夾具各受力件的結構尺寸主要靠設計者的經驗來確定，無法對夾具的整體變形和各受力件的應力分布情況進行詳細了解并優化，使得設計的夾具重量偏大。文中將采用Solidworks simulation有限元分析軟件，對夾具整體進行有限元分析，觀測其整體變形量和各受力件的應力分布情況，以期為日后夾具的優化設計提供依據。

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、撐桿和自動掛鉤等零部件組成，如圖1所示。其工作原理是：工作時，張開左、右夾臂夾頭的夾具在天車的吊運下，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動；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動，夾臂的夾頭繼續增大，同時，自動掛鉤繼續向下直至打開夾具；隨后，當天車吊起夾具時，在左、右夾臂臂桿和拉桿的作用下，左、右夾臂臂桿反向轉動，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，當炭塊下表面接觸到支承物而停止向下運動后，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動，夾臂的夾頭張開；同時，自動掛鉤繼續向下直至鎖住夾具，此時夾臂夾頭開度增至最大，夾具處于鎖住狀態，可繼續用于下一塊陽極炭塊的搬運工作[1]。

1 Solidworks simulation軟件簡介

Solidworks Simulation是SRAC公司基于FEA技術而開發的設計分析軟件。其能夠進行零件和裝配體的靜態、熱傳導、扭曲、頻率、跌落測試、優化、疲勞、非線性功能和動力學分析[2]。

Simulation提供有一階四面體、二階四面體兩種實體單元類型。一階實體四面體單元有4個節點，每個節點具有3個自由度。而二階實體四面體單元有10個節點（4個角點和6個中間節點），且每個節點具有3個自由度，與一階實體四面體單元相比，其具有較好的繪圖能力和能模擬二階（拋物線形）的位移場以及相應的一階應力場，所以能保證更為精確的結果。

Simulation采用的應力失效準則是最大von Mises應力準則，是一個集中了三維應力狀態的6個應力分量的應力度量值，其可以很好的描述大多數工程材料結構安全的彈性和塑性性質。當 von Mises 應力等于應力極限時，彈性材料開始在某位置屈服。其表達式如式1所示。

式中：σ1、uQOCMnoBGn9j4/u39BoPrg==σ2、σ3分別表示立方體單元的三個主應力分量，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，在每次迭代中都會求出一個解，并評估關聯的誤差。迭代過程一直持續，直到誤差可以接受。

夾具在工作狀態時，整體變形量較大，且有限元求解過程中，結構的變形可能會引起其剛度（結構抗載荷的能力）的變化。鑒于以上問題Simulation提供了大型位移求解方法，即通過分步應用載荷和更新幾何體對模型進行求解，其求解結果更為精確。

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建模模塊進行建立，為縮短計算時間，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，以及自動掛鉤等零部件。

2.2 前處理

2.2.1 設置邊界條件

夾具夾起炭塊是通過夾臂的夾頭對陽極炭塊產生足夠大的正壓力，從而得到摩擦力，以克服炭塊自重，達到提升炭塊的目的。所以，邊界條件設置中，將兩個夾臂的夾頭表面設置為固定幾何體約束，完全限制其3個自由度。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，均設置為銷釘接頭，限制鉸接軸孔的兩個圓柱面間沿軸向的相對位移。

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，載荷系數取f1=1.25，慣性力系數取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 網格劃分

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

3 結語

夾臂的設計是陽極炭塊夾具設計的關鍵。運用Solidworks Simulation有限元分析軟件，對夾具進行了整體有限元分析。結果表明：（1）夾具的應力最大值出現在夾臂臂桿與夾頭的連接拐角處；（2）夾具的整體應力值小于120 MPa，遠小于材料許用值235 MPa；（3）夾具整體變形量約為27.83 mm，滿足設計要求。

參考文獻

[1]柳盛飛.陽極自動夾緊夾具的設計與分析[J].有色設備，1999（3）：1～4.

[2]陳超祥，葉修梓.Solidworks Simulation 基礎教程[M].北京：機械工業出版社，2010.