基于Ansys Workbench多瓣抓斗的有限元分析

朱帅　文学洙

摘要：抓斗是以抓取泥沙及各种散装货物能启闭的斗，颚板是抓斗工作装置的主要承力构件。该文采用Solidwoks创建多瓣抓斗的颚板的三维模型，然后导入Ansys Workbench 中，以抓取碎石为例，对单个颚板进行应力分析，以偏载作为工况要求，分析出最大应力集中的位置，确定其大小是否满足材料的屈服强度。

关键词： 抓斗；颚板；应力分析

中图分类号：TH248 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）09-2030-03

抓斗是一种自动抓取物品的取物装置。多瓣抓斗是在此基础上改进的特殊多功能抓取装置，工作在及其恶劣的环境下。因其颚板的特殊结构可以就地装卸大量的散货物料（如粮食、煤、泥土、砂石等） 。装卸机械上采用， 不但可以使物料的装、卸、转载效率大大提高，而且可以减轻工人的劳动强度。随着社会的进步和工程机械的发展， 多瓣抓斗的应用越来越广泛，对其的要求也越来越高[[1]]。颚板是抓斗工作装置主要的结构部件，是抓取物料重要的结构部件 。它的强度状况对抓斗工作装置的性能及寿命有着非常重要的影响。为了更好地了解颚板在工况中的应力分布情况，在确定工况的情况下，该文对颚板进行了应力分析，颚板所受的最大应力需小于其材料的屈服强度值。

1 工况的选择

因为物料种类和作业条件等不同，多瓣抓斗在实际工作时，颚板不可能受均布载荷，但为了计算方便简化成固定的均匀载荷[[2]]。该文抓取的物料选择碎石块（5mm～40mm），其密度为1550kg/m3，颚铲插入石块的垂直距离为250mm的那一瞬时作为工况进行强度分析。

2 抓斗颚板的三维模型的建立

虽然Ansys Workbench有其自建模功能，但建模功能有限。而SolidWorks是一款很简便的三维绘图软件，其功能简单，思路清晰，因此本文利用SolidWorks创建多瓣抓斗的三维模型，该抓斗模型的抓取装置是由6块颚板组成，根据分析的要求选取其中的一个作为分析对象，其模型如图1所示：

颚板模型的材料为Q235，性能参数如表1：

3.1 模型的网格划分

在Ansys Workbench中有两种网格划分方法，一种是四面体网格划分，四面体网格的优点在于能够容易的生成网格，逼近型面程度高，但是计算精度不高，且生成网格数量太大，因而计算量较大。这种方法适合于各种模型，是一种高效的网格划分方法。另一种是六面体网格划分，六面体网格更容易实现壁面处的正交性原则，因而计算精度较高，速度快，但是对型面逼近较差。

对于抓斗装置而言，模型有刀刃的尖角，但是大部分都为规则的模型，因此我们使用的是计算精度更高的六面体网格划分。

网格数量的增加会提高求解精度，但是网格数量的增加会增加计算量，而网格数量增加到一定数量之后，求解精度的提高却是有限的，故划分网格之前要衡量好网格密度与求解精度之间的取舍。

生成的网格模型共有节点数45234个，单元数12037，单元尺寸20mm，网格类型为：mesh 200[[3]]。

3.2 载荷与约束的施加

当颚板网格化以后，需要对其进行约束。约束的施加为抓斗装置颚板臂的4个旋转孔处，这样能更好地模拟抓斗装置瞬时的工况。如图3所示：

颚板在抓取物料的时候，当颚铲插入物料的垂直距离为250mm时，每个抓斗受到来自物料本身的四个力作用，分别为水平切入阻力[F1]=1614N、侧向刃口力[F2]=[F3]=1099N、物料对刃口产生的阻力[F4]=[F5]=1863N、物体的挤压力[F6]=670N[[4]]。

4 抓斗颚板有限元分析后处理

进行仿真分析，得到颚板应力分布图，如下图所示。

结果：

5 结束语

通过分析得出，颚板在抓取物料的过程中应力集中发生在颚板臂的旋转孔处，得44.446MPa。它远远小于颚板材料的屈服强度235MPa，即44.446MPa<235MPa，所以符合设计要求。

参考文献：

[1] 李治国.抓斗式挖掘装置虚拟样机设置[D].内蒙古农业大学，2007：25-36.

[2] 沈卓.高抓取比耙剪式抓斗的研究[D].上海海事大学，2005：57-60.

[3] 刘俊梅.于晓龙.大型抓斗式挖泥船有限元法结构优化设计[J].中国水运2013（01）.

[4] 肖汉斌.张永涛.路世青，等. 疏浚抓斗平挖运动研究与仿真[J].武汉理工大学学报，2013（06）.