基于UG NX6.0和ANSYS Workbench的電解鋁靜置爐開口鉆機底板強度分析

摘 要：電解鋁靜置爐開口鉆機是用來打開出鋁口的機械設備，其主要支撐部件底板的強度直接關系著整個設備的運行安全性和可靠性。文章通過對底板進行建模、有限元分析等科學方法對底板的靜態工況進行分析，得出底板強度分析結論，為生產實踐提供可靠的理論支撐，為后續對底板結構進行優化做準備，提高底板的利用率；為現場提供優化方案，提供工廠生產效益。

關鍵詞：鉆機底板；UG NX6.0；ANSYS Workbench；有限元分析；強度分析

引言

鋁廠電解鋁靜置爐在出鋁時需打開出鋁口，讓鋁液順著鋁液溝流入鋁液模型罐中，待若干的模型與分析軟件能夠資源共享，兼容度比較高。結合底板自身模型的特點，采用后者創建方法。底板三維幾何實體模型采用UG6.0進行創建，同時UG6.0創立的模型資源能與Ansys Workbench 12.0能夠實現無縫對接，這為創建準確的有限模型提供了條件，同時又提高了模型創建的效率。Workbench12.0中的模型與UG軟件中的模型可以保持同步，即二者可以互相刷新，協87同建模，但是這就需要將DesignModeler嵌入UG6.0系統中去。如果發現在Workbench12.0中模型需要修改，只需在UG6.0中做以改進，然后刷新即可。

1 三維幾何實體的建立

根據如圖1所示底板零件圖，在UG NX6.0中創建三維幾何實體模型如圖2所示。

圖1 底板零件圖

圖2 底板三維幾何實體

1.1 有限元模型（模型的轉換）

三維軟件與分析軟件數據轉換的格式很多種，但是往往采用第三種格式，如IGES格式。該格式轉換到分析軟件中，兼容性極差，影響到分析結果的準確性。而該模型的轉化不采用第三種格式，UG6.0和Workbench12.0直接連接，確保模型不失真，Workbench12.0模塊直接嵌入到UG6.0中，確保三維模型的數據實時更新，如圖3所示。

圖3 UG 與Workbench12.0的數據連接

1.2 網格劃分

網格劃分的質量直接影響到分析結果的準確性，所以建立一個既能滿足要求又經濟的網格是十分有必要的。網格的劃分不在于盲目的追求網格的細化，密度過密直接影響到模型的經濟性，無形中增加了計算的難度。當然網格不能太大，網格尺寸太大容易造成形狀誤差不滿足要求，劃分網格無法進行；同時尺寸太大分析的結果誤差太大，失真。網格太小，節點數在幾百萬以上，計算時間過長，效率低。

底板主要是由板件形狀組成，為了確保網格的質量，該模型采用的四面體網格單元，并限制了網格的大小，對底板的主題單元格的尺寸為10mm，整個底板網格化模型如圖4所示。網格單元數為86493個，節點的個數為153855個。

圖4 底板有限元模型圖

圖5 材料特性參數的設定

1.3 材料參數設置

模型的材料為Q295A冷軋結構鋼（Structural steel），對于材料的參數主要有三個：彈性模量、泊松比和材料密度。材料參數的具體設置如圖5所示。

1.4 底板結構強度分析

針對電機所處位置（最左端和最有段）的兩種靜態工況進行底板強度分析。

1.4.1 電機處于最右端工況

（1）有限元模型建立

將UG6.0的模型轉化到Workbench12.0軟件中的數據入口。在轉化的過程中，要求模型不能失真，并且建立的所有模型都在一個坐標系下。經過對底板的受力分析發現，底板是通過兩個勾子拉住壁墻的勾環受力的，真正受力的表面為一個圓柱面。為了保證模擬受力的準確性，在模型兩個U形槽中增加一個實體軸，如圖4所示。

實際模型中，回轉軸與U形槽是旋轉幅連接，故在幾何實體模型裝備的過程中增加了旋轉幅，突臺與底板主體采用捆綁連接方式，與縫焊相似。

（2）約束和載荷的施加

具體設定如圖6所示。圖中A處施加的為重力加速度，圖中B、C兩處施加的為圓柱形支撐，圖中D處為電機及附帶部件的集中載荷，質量定義為60Kg，經過計算集中力為600N。由于底板靠平衡塊的繩索來牽引，平衡塊重64KG，重力為640N。繩子與底板的夾角為61°，經過受力分解，繩子對底板垂直向上牽引力為560N，水平向左牽引力為310N。具體受力位置如圖6中F、E處。

圖6 約束與載荷的施加示意圖

（3）求解

因為是靜力分析，時間參數就沒有必要設定。在求解的部分選擇整體變形云圖和整體應力云圖，然后求解。具體結果云圖如圖7、圖8、所示。為了不遮擋底板中間變形云圖的觀察，圖7除去了底板的右下角。

圖7 整體變形云圖

圖8 應力云圖

（4）結果分析

圖中最大變形量為0.00061085m，約0.61mm，方向朝下。最大應力值如圖8標示所示，最大值為3.984e7Pa，即39.84MPa。而底板材料為Q295A，屈服強度為295MPa，底板所受的最大應力遠小于屈服強度極限值。因此在該工況下底板強度能夠滿足要求。

1.4.2 電機處于最左端工況

求解設置與第一種工況基本相同，只是電機及其附帶部件的位置由最右端移到了最左端，求解部分仍然選擇整體變形云圖和整體應力云圖，具體結果如圖9、圖10所示。

圖9 整體變形云圖

圖10 應力云圖

最大變形量0.00066m，即 0.66mm，方向朝下。底板應力最大值為4.6463e7Pa，即46.46MPa，最大應力處位于距離電機最近的圓弧處。而底板材料為Q295A，屈服強度為295MPa，底板所受的最大應力遠小于屈服強度極限值。

2 結束語

通過科學的分析手段對底板結構進行優化，意義在于尋找一條行之有效的分析方法，為生產實踐提供可靠的理論支撐；創建真實的三維幾何實體模型，建立符合要求的有限元模型，為正確分析提供必要的前提；通過對底板進行強度分析，為后續對底板結構進行優化做準備，提高底板的利用率；為現場提供優化方案，提供工廠生產效益。

參考文獻

[1]吳宗澤.機械設計師手冊[M].北京：機械工業出版社，2002.

[2]王瑞，陳海霞，王廣峰.ANSYS有限元網格劃分淺析[J].天津工業大學學報，2002，21（4）：2-4.

[3]查太東，楊萍.基于Ansys Workbench的固定支架優化設計[J].煤礦機械，2012，33（2）：28-30.

[4]凌桂龍，丁金濱，溫正.ANSYS WorkBenchl3. 0從入門到精通[M].清華大學出版社，2012.

[5]陸爽，孫明禮，丁金福，等.ANSYS Workbench 13有限元分析從入門到精通[M].機械工業出版社，2012.

作者簡介：袁媛（1983-），女，河北張家口人，講師，主要從事機械制造專業的教學與研究。endprint

摘 要：電解鋁靜置爐開口鉆機是用來打開出鋁口的機械設備，其主要支撐部件底板的強度直接關系著整個設備的運行安全性和可靠性。文章通過對底板進行建模、有限元分析等科學方法對底板的靜態工況進行分析，得出底板強度分析結論，為生產實踐提供可靠的理論支撐，為后續對底板結構進行優化做準備，提高底板的利用率；為現場提供優化方案，提供工廠生產效益。

關鍵詞：鉆機底板；UG NX6.0；ANSYS Workbench；有限元分析；強度分析

引言

鋁廠電解鋁靜置爐在出鋁時需打開出鋁口，讓鋁液順著鋁液溝流入鋁液模型罐中，待若干的模型與分析軟件能夠資源共享，兼容度比較高。結合底板自身模型的特點，采用后者創建方法。底板三維幾何實體模型采用UG6.0進行創建，同時UG6.0創立的模型資源能與Ansys Workbench 12.0能夠實現無縫對接，這為創建準確的有限模型提供了條件，同時又提高了模型創建的效率。Workbench12.0中的模型與UG軟件中的模型可以保持同步，即二者可以互相刷新，協87同建模，但是這就需要將DesignModeler嵌入UG6.0系統中去。如果發現在Workbench12.0中模型需要修改，只需在UG6.0中做以改進，然后刷新即可。

1 三維幾何實體的建立

根據如圖1所示底板零件圖，在UG NX6.0中創建三維幾何實體模型如圖2所示。

圖1 底板零件圖

圖2 底板三維幾何實體

1.1 有限元模型（模型的轉換）

三維軟件與分析軟件數據轉換的格式很多種，但是往往采用第三種格式，如IGES格式。該格式轉換到分析軟件中，兼容性極差，影響到分析結果的準確性。而該模型的轉化不采用第三種格式，UG6.0和Workbench12.0直接連接，確保模型不失真，Workbench12.0模塊直接嵌入到UG6.0中，確保三維模型的數據實時更新，如圖3所示。

圖3 UG 與Workbench12.0的數據連接

1.2 網格劃分

網格劃分的質量直接影響到分析結果的準確性，所以建立一個既能滿足要求又經濟的網格是十分有必要的。網格的劃分不在于盲目的追求網格的細化，密度過密直接影響到模型的經濟性，無形中增加了計算的難度。當然網格不能太大，網格尺寸太大容易造成形狀誤差不滿足要求，劃分網格無法進行；同時尺寸太大分析的結果誤差太大，失真。網格太小，節點數在幾百萬以上，計算時間過長，效率低。

底板主要是由板件形狀組成，為了確保網格的質量，該模型采用的四面體網格單元，并限制了網格的大小，對底板的主題單元格的尺寸為10mm，整個底板網格化模型如圖4所示。網格單元數為86493個，節點的個數為153855個。

圖4 底板有限元模型圖

圖5 材料特性參數的設定

1.3 材料參數設置

模型的材料為Q295A冷軋結構鋼（Structural steel），對于材料的參數主要有三個：彈性模量、泊松比和材料密度。材料參數的具體設置如圖5所示。

1.4 底板結構強度分析

針對電機所處位置（最左端和最有段）的兩種靜態工況進行底板強度分析。

1.4.1 電機處于最右端工況

（1）有限元模型建立

將UG6.0的模型轉化到Workbench12.0軟件中的數據入口。在轉化的過程中，要求模型不能失真，并且建立的所有模型都在一個坐標系下。經過對底板的受力分析發現，底板是通過兩個勾子拉住壁墻的勾環受力的，真正受力的表面為一個圓柱面。為了保證模擬受力的準確性，在模型兩個U形槽中增加一個實體軸，如圖4所示。

實際模型中，回轉軸與U形槽是旋轉幅連接，故在幾何實體模型裝備的過程中增加了旋轉幅，突臺與底板主體采用捆綁連接方式，與縫焊相似。

（2）約束和載荷的施加

具體設定如圖6所示。圖中A處施加的為重力加速度，圖中B、C兩處施加的為圓柱形支撐，圖中D處為電機及附帶部件的集中載荷，質量定義為60Kg，經過計算集中力為600N。由于底板靠平衡塊的繩索來牽引，平衡塊重64KG，重力為640N。繩子與底板的夾角為61°，經過受力分解，繩子對底板垂直向上牽引力為560N，水平向左牽引力為310N。具體受力位置如圖6中F、E處。

圖6 約束與載荷的施加示意圖

（3）求解

因為是靜力分析，時間參數就沒有必要設定。在求解的部分選擇整體變形云圖和整體應力云圖，然后求解。具體結果云圖如圖7、圖8、所示。為了不遮擋底板中間變形云圖的觀察，圖7除去了底板的右下角。

圖7 整體變形云圖

圖8 應力云圖

（4）結果分析

圖中最大變形量為0.00061085m，約0.61mm，方向朝下。最大應力值如圖8標示所示，最大值為3.984e7Pa，即39.84MPa。而底板材料為Q295A，屈服強度為295MPa，底板所受的最大應力遠小于屈服強度極限值。因此在該工況下底板強度能夠滿足要求。

1.4.2 電機處于最左端工況

求解設置與第一種工況基本相同，只是電機及其附帶部件的位置由最右端移到了最左端，求解部分仍然選擇整體變形云圖和整體應力云圖，具體結果如圖9、圖10所示。

圖9 整體變形云圖

圖10 應力云圖

最大變形量0.00066m，即 0.66mm，方向朝下。底板應力最大值為4.6463e7Pa，即46.46MPa，最大應力處位于距離電機最近的圓弧處。而底板材料為Q295A，屈服強度為295MPa，底板所受的最大應力遠小于屈服強度極限值。

2 結束語

通過科學的分析手段對底板結構進行優化，意義在于尋找一條行之有效的分析方法，為生產實踐提供可靠的理論支撐；創建真實的三維幾何實體模型，建立符合要求的有限元模型，為正確分析提供必要的前提；通過對底板進行強度分析，為后續對底板結構進行優化做準備，提高底板的利用率；為現場提供優化方案，提供工廠生產效益。

參考文獻

[1]吳宗澤.機械設計師手冊[M].北京：機械工業出版社，2002.

[2]王瑞，陳海霞，王廣峰.ANSYS有限元網格劃分淺析[J].天津工業大學學報，2002，21（4）：2-4.

[3]查太東，楊萍.基于Ansys Workbench的固定支架優化設計[J].煤礦機械，2012，33（2）：28-30.

[4]凌桂龍，丁金濱，溫正.ANSYS WorkBenchl3. 0從入門到精通[M].清華大學出版社，2012.

[5]陸爽，孫明禮，丁金福，等.ANSYS Workbench 13有限元分析從入門到精通[M].機械工業出版社，2012.

作者簡介：袁媛（1983-），女，河北張家口人，講師，主要從事機械制造專業的教學與研究。endprint

摘 要：電解鋁靜置爐開口鉆機是用來打開出鋁口的機械設備，其主要支撐部件底板的強度直接關系著整個設備的運行安全性和可靠性。文章通過對底板進行建模、有限元分析等科學方法對底板的靜態工況進行分析，得出底板強度分析結論，為生產實踐提供可靠的理論支撐，為后續對底板結構進行優化做準備，提高底板的利用率；為現場提供優化方案，提供工廠生產效益。

關鍵詞：鉆機底板；UG NX6.0；ANSYS Workbench；有限元分析；強度分析

引言

鋁廠電解鋁靜置爐在出鋁時需打開出鋁口，讓鋁液順著鋁液溝流入鋁液模型罐中，待若干的模型與分析軟件能夠資源共享，兼容度比較高。結合底板自身模型的特點，采用后者創建方法。底板三維幾何實體模型采用UG6.0進行創建，同時UG6.0創立的模型資源能與Ansys Workbench 12.0能夠實現無縫對接，這為創建準確的有限模型提供了條件，同時又提高了模型創建的效率。Workbench12.0中的模型與UG軟件中的模型可以保持同步，即二者可以互相刷新，協87同建模，但是這就需要將DesignModeler嵌入UG6.0系統中去。如果發現在Workbench12.0中模型需要修改，只需在UG6.0中做以改進，然后刷新即可。

1 三維幾何實體的建立

根據如圖1所示底板零件圖，在UG NX6.0中創建三維幾何實體模型如圖2所示。

圖1 底板零件圖

圖2 底板三維幾何實體

1.1 有限元模型（模型的轉換）

三維軟件與分析軟件數據轉換的格式很多種，但是往往采用第三種格式，如IGES格式。該格式轉換到分析軟件中，兼容性極差，影響到分析結果的準確性。而該模型的轉化不采用第三種格式，UG6.0和Workbench12.0直接連接，確保模型不失真，Workbench12.0模塊直接嵌入到UG6.0中，確保三維模型的數據實時更新，如圖3所示。

圖3 UG 與Workbench12.0的數據連接

1.2 網格劃分

網格劃分的質量直接影響到分析結果的準確性，所以建立一個既能滿足要求又經濟的網格是十分有必要的。網格的劃分不在于盲目的追求網格的細化，密度過密直接影響到模型的經濟性，無形中增加了計算的難度。當然網格不能太大，網格尺寸太大容易造成形狀誤差不滿足要求，劃分網格無法進行；同時尺寸太大分析的結果誤差太大，失真。網格太小，節點數在幾百萬以上，計算時間過長，效率低。

底板主要是由板件形狀組成，為了確保網格的質量，該模型采用的四面體網格單元，并限制了網格的大小，對底板的主題單元格的尺寸為10mm，整個底板網格化模型如圖4所示。網格單元數為86493個，節點的個數為153855個。

圖4 底板有限元模型圖

圖5 材料特性參數的設定

1.3 材料參數設置

模型的材料為Q295A冷軋結構鋼（Structural steel），對于材料的參數主要有三個：彈性模量、泊松比和材料密度。材料參數的具體設置如圖5所示。

1.4 底板結構強度分析

針對電機所處位置（最左端和最有段）的兩種靜態工況進行底板強度分析。

1.4.1 電機處于最右端工況

（1）有限元模型建立

將UG6.0的模型轉化到Workbench12.0軟件中的數據入口。在轉化的過程中，要求模型不能失真，并且建立的所有模型都在一個坐標系下。經過對底板的受力分析發現，底板是通過兩個勾子拉住壁墻的勾環受力的，真正受力的表面為一個圓柱面。為了保證模擬受力的準確性，在模型兩個U形槽中增加一個實體軸，如圖4所示。

實際模型中，回轉軸與U形槽是旋轉幅連接，故在幾何實體模型裝備的過程中增加了旋轉幅，突臺與底板主體采用捆綁連接方式，與縫焊相似。

（2）約束和載荷的施加

具體設定如圖6所示。圖中A處施加的為重力加速度，圖中B、C兩處施加的為圓柱形支撐，圖中D處為電機及附帶部件的集中載荷，質量定義為60Kg，經過計算集中力為600N。由于底板靠平衡塊的繩索來牽引，平衡塊重64KG，重力為640N。繩子與底板的夾角為61°，經過受力分解，繩子對底板垂直向上牽引力為560N，水平向左牽引力為310N。具體受力位置如圖6中F、E處。

圖6 約束與載荷的施加示意圖

（3）求解

因為是靜力分析，時間參數就沒有必要設定。在求解的部分選擇整體變形云圖和整體應力云圖，然后求解。具體結果云圖如圖7、圖8、所示。為了不遮擋底板中間變形云圖的觀察，圖7除去了底板的右下角。

圖7 整體變形云圖

圖8 應力云圖

（4）結果分析

圖中最大變形量為0.00061085m，約0.61mm，方向朝下。最大應力值如圖8標示所示，最大值為3.984e7Pa，即39.84MPa。而底板材料為Q295A，屈服強度為295MPa，底板所受的最大應力遠小于屈服強度極限值。因此在該工況下底板強度能夠滿足要求。

1.4.2 電機處于最左端工況

求解設置與第一種工況基本相同，只是電機及其附帶部件的位置由最右端移到了最左端，求解部分仍然選擇整體變形云圖和整體應力云圖，具體結果如圖9、圖10所示。

圖9 整體變形云圖

圖10 應力云圖

最大變形量0.00066m，即 0.66mm，方向朝下。底板應力最大值為4.6463e7Pa，即46.46MPa，最大應力處位于距離電機最近的圓弧處。而底板材料為Q295A，屈服強度為295MPa，底板所受的最大應力遠小于屈服強度極限值。

2 結束語

通過科學的分析手段對底板結構進行優化，意義在于尋找一條行之有效的分析方法，為生產實踐提供可靠的理論支撐；創建真實的三維幾何實體模型，建立符合要求的有限元模型，為正確分析提供必要的前提；通過對底板進行強度分析，為后續對底板結構進行優化做準備，提高底板的利用率；為現場提供優化方案，提供工廠生產效益。

參考文獻

[1]吳宗澤.機械設計師手冊[M].北京：機械工業出版社，2002.

[2]王瑞，陳海霞，王廣峰.ANSYS有限元網格劃分淺析[J].天津工業大學學報，2002，21（4）：2-4.

[3]查太東，楊萍.基于Ansys Workbench的固定支架優化設計[J].煤礦機械，2012，33（2）：28-30.

[4]凌桂龍，丁金濱，溫正.ANSYS WorkBenchl3. 0從入門到精通[M].清華大學出版社，2012.

[5]陸爽，孫明禮，丁金福，等.ANSYS Workbench 13有限元分析從入門到精通[M].機械工業出版社，2012.

作者簡介：袁媛（1983-），女，河北張家口人，講師，主要從事機械制造專業的教學與研究。endprint