基于有限元分析的茄衣茄套切片設(shè)備吸盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

吳斌方，李曉妍

（湖北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北 武漢 430068）

茄衣茄套切片設(shè)備利用正負壓的方式完成煙葉的上料及下料工作，而煙葉較薄，材質(zhì)較軟，局部受力的話形狀不能保持固定，且轉(zhuǎn)移時不能讓煙葉卷曲。對于該設(shè)備的工作需求，普通的真空吸盤不能滿足條件，所以本文通過借鑒車間迷你上皮吸風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計了一款新型的真空吸盤。并且在吸盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計中增加了多處密封，以此提高真空吸盤的吸附能力。但是，真空吸盤在工作過程中不僅要有一定的吸附能力，而且還需要有良好的可靠性。因此，本文通過使用ANSYS Workbench軟件對真空吸盤進行了靜力學(xué)分析，并進行了優(yōu)化設(shè)計。將優(yōu)化后的真空吸盤在茄衣茄套切片設(shè)備中試用，發(fā)現(xiàn)效果較好。

1 真空吸盤的結(jié)構(gòu)和工作原理

吸盤部件是整個設(shè)備中較為重要的一個部分，如圖1所示。由于切割不同型號的煙葉大小變化范圍不大，故采用固定大小吸盤。設(shè)計吸盤時，在吸盤中心與煙葉中心重合的情況下，使其小孔的邊緣尺寸大于最大煙葉的外形尺寸，設(shè)計眾多小孔為了將煙葉更好的吸附在吸盤上。當(dāng)風(fēng)機運行時，產(chǎn)生正負壓。

吸盤的上下兩部分通過均勻分布在邊緣的六個螺釘來連接，吸盤上部與懸臂則通過法蘭相連，并保證氣密性。由于是懸臂運行，故材料重量不能過大，由于底面要加工非常多的小孔，故要求材料易于加工，不易變形，經(jīng)過參考資料后，選擇吸盤的材料為硬鋁合金。

圖1 剛性吸盤整體結(jié)構(gòu)

2 真空吸盤的靜力學(xué)分析過程

為了便于對真空吸盤進行有限元分析，我們對其進行適當(dāng)?shù)暮喕＠肁NSYS Workbench軟件建立真空吸盤的有限元模型。選擇的材料為硬鋁合金，因為它具有良好的耐蝕性，且易加工。查手冊知，該材料的彈性模量為E=7.1x1010Pa，泊松比ν=0.33，密度ρ=2700kg/m3。對吸盤進行網(wǎng)格劃分。再根據(jù)吸盤的受力分析，施加邊界載荷條件。得到真空吸盤的總變形圖圖2和等效應(yīng)力云圖圖3。

圖2 真空吸盤的總變形云圖

圖3 真空吸盤的等效應(yīng)力云圖

由圖2可知，吸盤的最大變形量發(fā)生在下吸盤沉頭孔邊緣處，大小為0.033mm，遠遠小于真空吸盤的許用變形值。且根據(jù)圖3可知，它的最大應(yīng)力發(fā)生在上吸盤體螺紋孔處，應(yīng)力大小為11.21MPa，遠小于硬鋁材料的屈服極限124MPa，表明它滿足強度要求。

3 真空吸盤的優(yōu)化設(shè)計

吸盤的尺寸外觀都是依據(jù)經(jīng)驗而設(shè)計的，且吸盤的制造精度和加工較為復(fù)雜，所以為了節(jié)省材料，我們對真空吸盤進行輕量化設(shè)計。

3.1 真空吸盤輕量化的數(shù)學(xué)模型

（1）設(shè)計變量：參考吸盤實際工作情況，選擇真空吸盤中對它質(zhì)量影響較大的參數(shù)作為優(yōu)化參數(shù)。選定X1、X2、X3和X4這4個設(shè)計變量，其中X1表示吸盤的壁厚；X2表示吸盤的長度；X3表示吸盤的寬度；X4表示槽式上吸盤的高度。

設(shè)定所要滿足的尺寸要求為：10mm≤X1≤20mm，395mm≤ X2≤ 475mm，115mm≤ X3≤ 165mm，15mm≤ X4≤ 45mm。

（2）約束條件：由于吸盤材料有許用應(yīng)力，要保證其正常工作，則實際工作載荷下的最大等效應(yīng)力值應(yīng)該符合以下條件：

式中，[σ]s為吸盤材料的許用應(yīng)力；Smax為吸盤在實際工作載荷下的等效應(yīng)力最大值

（3）目標函數(shù)：當(dāng)吸盤結(jié)構(gòu)滿足剛度和強度時，我們通過優(yōu)化分析，得出吸盤的最小重量，從而實現(xiàn)輕量化，目標函數(shù)為：

式中，F(xiàn)為吸盤的重量。

總結(jié)上述內(nèi)容，可得真空吸盤的數(shù)學(xué)模型為

3.2 吸盤結(jié)構(gòu)輕量化的實現(xiàn)及優(yōu)化后吸盤的驗證分析

建立好吸盤的輕量化模型后，再使用ANSYS Workbench中的Design Exploration模塊對其進行優(yōu)化分析，結(jié)合15次迭代的動態(tài)觀察，得出相應(yīng)參數(shù)的變化過程曲線，如圖4～6所示。

圖4 吸盤設(shè)計變量的變化過程曲線

圖5 吸盤約束參數(shù)的變化過程曲線

圖6 吸盤目標函數(shù)的變化過程曲線

結(jié)合上述圖示分析，迭代到第12次時，輕量化參數(shù)是最優(yōu)解。此時重新優(yōu)化后的真空吸盤重量為1.83kg，相比優(yōu)化前的2.36kg降低了22.6%。雖然最大等效應(yīng)力有所提高，從11.21MPa提高到14.18MPa，但是也低于材料的許用應(yīng)力124MPa，仍然滿足設(shè)計要求。通過優(yōu)化，新款的真空吸盤結(jié)構(gòu)更有優(yōu)勢，不僅減少了制造成本，同時也提升了工作效率。我們將優(yōu)化后的吸盤進行仿真試驗，得出其優(yōu)化后的靜強度和靜剛度都符合要求。將優(yōu)化后的真空吸盤在茄衣茄套切片設(shè)備中試用，發(fā)現(xiàn)效果較好。

4 結(jié)語

本文根據(jù)茄衣茄套切片設(shè)備功能的需求，設(shè)計出具有良好工作性能的真空吸盤，并對它進行仿真分析和試用得到下列結(jié)論：

（1）通過借鑒迷你上皮機吸風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計出新的真空吸盤的結(jié)構(gòu)模型，并且根據(jù)吸盤的工作過程進行受力分析，為進一步的有限元分析提供參考。

（2）并使用Ansys Workbench軟件進行靜力學(xué)分析和優(yōu)化設(shè)計，得到最優(yōu)設(shè)計參數(shù)的真空吸盤。

（3）將優(yōu)化后的真空吸盤在茄衣茄套切片設(shè)備中試用，發(fā)現(xiàn)效果較好。