基于UG NX6.0和ANSYS Workbench的电解铝静置炉开口钻机底板强度分析

摘 要：电解铝静置炉开口钻机是用来打开出铝口的机械设备，其主要支撑部件底板的强度直接关系着整个设备的运行安全性和可靠性。文章通过对底板进行建模、有限元分析等科学方法对底板的静态工况进行分析，得出底板强度分析结论，为生产实践提供可靠的理论支撑，为后续对底板结构进行优化做准备，提高底板的利用率；为现场提供优化方案，提供工厂生产效益。

关键词：钻机底板；UG NX6.0；ANSYS Workbench；有限元分析；强度分析

引言

铝厂电解铝静置炉在出铝时需打开出铝口，让铝液顺着铝液沟流入铝液模型罐中，待若干的模型与分析软件能够资源共享，兼容度比较高。结合底板自身模型的特点，采用后者创建方法。底板三维几何实体模型采用UG6.0进行创建，同时UG6.0创立的模型资源能与Ansys Workbench 12.0能够实现无缝对接，这为创建准确的有限模型提供了条件，同时又提高了模型创建的效率。Workbench12.0中的模型与UG软件中的模型可以保持同步，即二者可以互相刷新，协87同建模，但是这就需要将DesignModeler嵌入UG6.0系统中去。如果发现在Workbench12.0中模型需要修改，只需在UG6.0中做以改进，然后刷新即可。

1 三维几何实体的建立

根据如图1所示底板零件图，在UG NX6.0中创建三维几何实体模型如图2所示。

图1 底板零件图

图2 底板三维几何实体

1.1 有限元模型（模型的转换）

三维软件与分析软件数据转换的格式很多种，但是往往采用第三种格式，如IGES格式。该格式转换到分析软件中，兼容性极差，影响到分析结果的准确性。而该模型的转化不采用第三种格式，UG6.0和Workbench12.0直接连接，确保模型不失真，Workbench12.0模块直接嵌入到UG6.0中，确保三维模型的数据实时更新，如图3所示。

图3 UG 与Workbench12.0的数据连接

1.2 网格划分

网格划分的质量直接影响到分析结果的准确性，所以建立一个既能满足要求又经济的网格是十分有必要的。网格的划分不在于盲目的追求网格的细化，密度过密直接影响到模型的经济性，无形中增加了计算的难度。当然网格不能太大，网格尺寸太大容易造成形状误差不满足要求，划分网格无法进行；同时尺寸太大分析的结果误差太大，失真。网格太小，节点数在几百万以上，计算时间过长，效率低。

底板主要是由板件形状组成，为了确保网格的质量，该模型采用的四面体网格单元，并限制了网格的大小，对底板的主题单元格的尺寸为10mm，整个底板网格化模型如图4所示。网格单元数为86493个，节点的个数为153855个。

图4 底板有限元模型图

图5 材料特性参数的设定

1.3 材料参数设置

模型的材料为Q295A冷轧结构钢（Structural steel），对于材料的参数主要有三个：弹性模量、泊松比和材料密度。材料参数的具体设置如图5所示。

1.4 底板结构强度分析

针对电机所处位置（最左端和最有段）的两种静态工况进行底板强度分析。

1.4.1 电机处于最右端工况

（1）有限元模型建立

将UG6.0的模型转化到Workbench12.0软件中的数据入口。在转化的过程中，要求模型不能失真，并且建立的所有模型都在一个坐标系下。经过对底板的受力分析发现，底板是通过两个勾子拉住壁墙的勾环受力的，真正受力的表面为一个圆柱面。为了保证模拟受力的准确性，在模型两个U形槽中增加一个实体轴，如图4所示。

实际模型中，回转轴与U形槽是旋转幅连接，故在几何实体模型装备的过程中增加了旋转幅，突台与底板主体采用捆绑连接方式，与缝焊相似。

（2）约束和载荷的施加

具体设定如图6所示。图中A处施加的为重力加速度，图中B、C两处施加的为圆柱形支撑，图中D处为电机及附带部件的集中载荷，质量定义为60Kg，经过计算集中力为600N。由于底板靠平衡块的绳索来牵引，平衡块重64KG，重力为640N。绳子与底板的夹角为61°，经过受力分解，绳子对底板垂直向上牵引力为560N，水平向左牵引力为310N。具体受力位置如图6中F、E处。

图6 约束与载荷的施加示意图

（3）求解

因为是静力分析，时间参数就没有必要设定。在求解的部分选择整体变形云图和整体应力云图，然后求解。具体结果云图如图7、图8、所示。为了不遮挡底板中间变形云图的观察，图7除去了底板的右下角。

图7 整体变形云图

图8 应力云图

（4）结果分析

图中最大变形量为0.00061085m，约0.61mm，方向朝下。最大应力值如图8标示所示，最大值为3.984e7Pa，即39.84MPa。而底板材料为Q295A，屈服强度为295MPa，底板所受的最大应力远小于屈服强度极限值。因此在该工况下底板强度能够满足要求。

1.4.2 电机处于最左端工况

求解设置与第一种工况基本相同，只是电机及其附带部件的位置由最右端移到了最左端，求解部分仍然选择整体变形云图和整体应力云图，具体结果如图9、图10所示。

图9 整体变形云图

图10 应力云图

最大变形量0.00066m，即 0.66mm，方向朝下。底板应力最大值为4.6463e7Pa，即46.46MPa，最大应力处位于距离电机最近的圆弧处。而底板材料为Q295A，屈服强度为295MPa，底板所受的最大应力远小于屈服强度极限值。

2 结束语

通过科学的分析手段对底板结构进行优化，意义在于寻找一条行之有效的分析方法，为生产实践提供可靠的理论支撑；创建真实的三维几何实体模型，建立符合要求的有限元模型，为正确分析提供必要的前提；通过对底板进行强度分析，为后续对底板结构进行优化做准备，提高底板的利用率；为现场提供优化方案，提供工厂生产效益。

参考文献

[1]吴宗泽.机械设计师手册[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2]王瑞，陈海霞，王广峰.ANSYS有限元网格划分浅析[J].天津工业大学学报，2002，21（4）：2-4.

[3]查太东，杨萍.基于Ansys Workbench的固定支架优化设计[J].煤矿机械，2012，33（2）：28-30.

[4]凌桂龙，丁金滨，温正.ANSYS WorkBenchl3. 0从入门到精通[M].清华大学出版社，2012.

[5]陆爽，孙明礼，丁金福，等.ANSYS Workbench 13有限元分析从入门到精通[M].机械工业出版社，2012.

作者简介：袁媛（1983-），女，河北张家口人，讲师，主要从事机械制造专业的教学与研究。endprint

摘 要：电解铝静置炉开口钻机是用来打开出铝口的机械设备，其主要支撑部件底板的强度直接关系着整个设备的运行安全性和可靠性。文章通过对底板进行建模、有限元分析等科学方法对底板的静态工况进行分析，得出底板强度分析结论，为生产实践提供可靠的理论支撑，为后续对底板结构进行优化做准备，提高底板的利用率；为现场提供优化方案，提供工厂生产效益。

关键词：钻机底板；UG NX6.0；ANSYS Workbench；有限元分析；强度分析

引言

铝厂电解铝静置炉在出铝时需打开出铝口，让铝液顺着铝液沟流入铝液模型罐中，待若干的模型与分析软件能够资源共享，兼容度比较高。结合底板自身模型的特点，采用后者创建方法。底板三维几何实体模型采用UG6.0进行创建，同时UG6.0创立的模型资源能与Ansys Workbench 12.0能够实现无缝对接，这为创建准确的有限模型提供了条件，同时又提高了模型创建的效率。Workbench12.0中的模型与UG软件中的模型可以保持同步，即二者可以互相刷新，协87同建模，但是这就需要将DesignModeler嵌入UG6.0系统中去。如果发现在Workbench12.0中模型需要修改，只需在UG6.0中做以改进，然后刷新即可。

1 三维几何实体的建立

根据如图1所示底板零件图，在UG NX6.0中创建三维几何实体模型如图2所示。

图1 底板零件图

图2 底板三维几何实体

1.1 有限元模型（模型的转换）

三维软件与分析软件数据转换的格式很多种，但是往往采用第三种格式，如IGES格式。该格式转换到分析软件中，兼容性极差，影响到分析结果的准确性。而该模型的转化不采用第三种格式，UG6.0和Workbench12.0直接连接，确保模型不失真，Workbench12.0模块直接嵌入到UG6.0中，确保三维模型的数据实时更新，如图3所示。

图3 UG 与Workbench12.0的数据连接

1.2 网格划分

网格划分的质量直接影响到分析结果的准确性，所以建立一个既能满足要求又经济的网格是十分有必要的。网格的划分不在于盲目的追求网格的细化，密度过密直接影响到模型的经济性，无形中增加了计算的难度。当然网格不能太大，网格尺寸太大容易造成形状误差不满足要求，划分网格无法进行；同时尺寸太大分析的结果误差太大，失真。网格太小，节点数在几百万以上，计算时间过长，效率低。

底板主要是由板件形状组成，为了确保网格的质量，该模型采用的四面体网格单元，并限制了网格的大小，对底板的主题单元格的尺寸为10mm，整个底板网格化模型如图4所示。网格单元数为86493个，节点的个数为153855个。

图4 底板有限元模型图

图5 材料特性参数的设定

1.3 材料参数设置

模型的材料为Q295A冷轧结构钢（Structural steel），对于材料的参数主要有三个：弹性模量、泊松比和材料密度。材料参数的具体设置如图5所示。

1.4 底板结构强度分析

针对电机所处位置（最左端和最有段）的两种静态工况进行底板强度分析。

1.4.1 电机处于最右端工况

（1）有限元模型建立

将UG6.0的模型转化到Workbench12.0软件中的数据入口。在转化的过程中，要求模型不能失真，并且建立的所有模型都在一个坐标系下。经过对底板的受力分析发现，底板是通过两个勾子拉住壁墙的勾环受力的，真正受力的表面为一个圆柱面。为了保证模拟受力的准确性，在模型两个U形槽中增加一个实体轴，如图4所示。

实际模型中，回转轴与U形槽是旋转幅连接，故在几何实体模型装备的过程中增加了旋转幅，突台与底板主体采用捆绑连接方式，与缝焊相似。

（2）约束和载荷的施加

具体设定如图6所示。图中A处施加的为重力加速度，图中B、C两处施加的为圆柱形支撑，图中D处为电机及附带部件的集中载荷，质量定义为60Kg，经过计算集中力为600N。由于底板靠平衡块的绳索来牵引，平衡块重64KG，重力为640N。绳子与底板的夹角为61°，经过受力分解，绳子对底板垂直向上牵引力为560N，水平向左牵引力为310N。具体受力位置如图6中F、E处。

图6 约束与载荷的施加示意图

（3）求解

因为是静力分析，时间参数就没有必要设定。在求解的部分选择整体变形云图和整体应力云图，然后求解。具体结果云图如图7、图8、所示。为了不遮挡底板中间变形云图的观察，图7除去了底板的右下角。

图7 整体变形云图

图8 应力云图

（4）结果分析

图中最大变形量为0.00061085m，约0.61mm，方向朝下。最大应力值如图8标示所示，最大值为3.984e7Pa，即39.84MPa。而底板材料为Q295A，屈服强度为295MPa，底板所受的最大应力远小于屈服强度极限值。因此在该工况下底板强度能够满足要求。

1.4.2 电机处于最左端工况

求解设置与第一种工况基本相同，只是电机及其附带部件的位置由最右端移到了最左端，求解部分仍然选择整体变形云图和整体应力云图，具体结果如图9、图10所示。

图9 整体变形云图

图10 应力云图

最大变形量0.00066m，即 0.66mm，方向朝下。底板应力最大值为4.6463e7Pa，即46.46MPa，最大应力处位于距离电机最近的圆弧处。而底板材料为Q295A，屈服强度为295MPa，底板所受的最大应力远小于屈服强度极限值。

2 结束语

通过科学的分析手段对底板结构进行优化，意义在于寻找一条行之有效的分析方法，为生产实践提供可靠的理论支撑；创建真实的三维几何实体模型，建立符合要求的有限元模型，为正确分析提供必要的前提；通过对底板进行强度分析，为后续对底板结构进行优化做准备，提高底板的利用率；为现场提供优化方案，提供工厂生产效益。

参考文献

[1]吴宗泽.机械设计师手册[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2]王瑞，陈海霞，王广峰.ANSYS有限元网格划分浅析[J].天津工业大学学报，2002，21（4）：2-4.

[3]查太东，杨萍.基于Ansys Workbench的固定支架优化设计[J].煤矿机械，2012，33（2）：28-30.

[4]凌桂龙，丁金滨，温正.ANSYS WorkBenchl3. 0从入门到精通[M].清华大学出版社，2012.

[5]陆爽，孙明礼，丁金福，等.ANSYS Workbench 13有限元分析从入门到精通[M].机械工业出版社，2012.

作者简介：袁媛（1983-），女，河北张家口人，讲师，主要从事机械制造专业的教学与研究。endprint

摘 要：电解铝静置炉开口钻机是用来打开出铝口的机械设备，其主要支撑部件底板的强度直接关系着整个设备的运行安全性和可靠性。文章通过对底板进行建模、有限元分析等科学方法对底板的静态工况进行分析，得出底板强度分析结论，为生产实践提供可靠的理论支撑，为后续对底板结构进行优化做准备，提高底板的利用率；为现场提供优化方案，提供工厂生产效益。

关键词：钻机底板；UG NX6.0；ANSYS Workbench；有限元分析；强度分析

引言

铝厂电解铝静置炉在出铝时需打开出铝口，让铝液顺着铝液沟流入铝液模型罐中，待若干的模型与分析软件能够资源共享，兼容度比较高。结合底板自身模型的特点，采用后者创建方法。底板三维几何实体模型采用UG6.0进行创建，同时UG6.0创立的模型资源能与Ansys Workbench 12.0能够实现无缝对接，这为创建准确的有限模型提供了条件，同时又提高了模型创建的效率。Workbench12.0中的模型与UG软件中的模型可以保持同步，即二者可以互相刷新，协87同建模，但是这就需要将DesignModeler嵌入UG6.0系统中去。如果发现在Workbench12.0中模型需要修改，只需在UG6.0中做以改进，然后刷新即可。

1 三维几何实体的建立

根据如图1所示底板零件图，在UG NX6.0中创建三维几何实体模型如图2所示。

图1 底板零件图

图2 底板三维几何实体

1.1 有限元模型（模型的转换）

三维软件与分析软件数据转换的格式很多种，但是往往采用第三种格式，如IGES格式。该格式转换到分析软件中，兼容性极差，影响到分析结果的准确性。而该模型的转化不采用第三种格式，UG6.0和Workbench12.0直接连接，确保模型不失真，Workbench12.0模块直接嵌入到UG6.0中，确保三维模型的数据实时更新，如图3所示。

图3 UG 与Workbench12.0的数据连接

1.2 网格划分

网格划分的质量直接影响到分析结果的准确性，所以建立一个既能满足要求又经济的网格是十分有必要的。网格的划分不在于盲目的追求网格的细化，密度过密直接影响到模型的经济性，无形中增加了计算的难度。当然网格不能太大，网格尺寸太大容易造成形状误差不满足要求，划分网格无法进行；同时尺寸太大分析的结果误差太大，失真。网格太小，节点数在几百万以上，计算时间过长，效率低。

底板主要是由板件形状组成，为了确保网格的质量，该模型采用的四面体网格单元，并限制了网格的大小，对底板的主题单元格的尺寸为10mm，整个底板网格化模型如图4所示。网格单元数为86493个，节点的个数为153855个。

图4 底板有限元模型图

图5 材料特性参数的设定

1.3 材料参数设置

模型的材料为Q295A冷轧结构钢（Structural steel），对于材料的参数主要有三个：弹性模量、泊松比和材料密度。材料参数的具体设置如图5所示。

1.4 底板结构强度分析

针对电机所处位置（最左端和最有段）的两种静态工况进行底板强度分析。

1.4.1 电机处于最右端工况

（1）有限元模型建立

将UG6.0的模型转化到Workbench12.0软件中的数据入口。在转化的过程中，要求模型不能失真，并且建立的所有模型都在一个坐标系下。经过对底板的受力分析发现，底板是通过两个勾子拉住壁墙的勾环受力的，真正受力的表面为一个圆柱面。为了保证模拟受力的准确性，在模型两个U形槽中增加一个实体轴，如图4所示。

实际模型中，回转轴与U形槽是旋转幅连接，故在几何实体模型装备的过程中增加了旋转幅，突台与底板主体采用捆绑连接方式，与缝焊相似。

（2）约束和载荷的施加

具体设定如图6所示。图中A处施加的为重力加速度，图中B、C两处施加的为圆柱形支撑，图中D处为电机及附带部件的集中载荷，质量定义为60Kg，经过计算集中力为600N。由于底板靠平衡块的绳索来牵引，平衡块重64KG，重力为640N。绳子与底板的夹角为61°，经过受力分解，绳子对底板垂直向上牵引力为560N，水平向左牵引力为310N。具体受力位置如图6中F、E处。

图6 约束与载荷的施加示意图

（3）求解

因为是静力分析，时间参数就没有必要设定。在求解的部分选择整体变形云图和整体应力云图，然后求解。具体结果云图如图7、图8、所示。为了不遮挡底板中间变形云图的观察，图7除去了底板的右下角。

图7 整体变形云图

图8 应力云图

（4）结果分析

图中最大变形量为0.00061085m，约0.61mm，方向朝下。最大应力值如图8标示所示，最大值为3.984e7Pa，即39.84MPa。而底板材料为Q295A，屈服强度为295MPa，底板所受的最大应力远小于屈服强度极限值。因此在该工况下底板强度能够满足要求。

1.4.2 电机处于最左端工况

求解设置与第一种工况基本相同，只是电机及其附带部件的位置由最右端移到了最左端，求解部分仍然选择整体变形云图和整体应力云图，具体结果如图9、图10所示。

图9 整体变形云图

图10 应力云图

最大变形量0.00066m，即 0.66mm，方向朝下。底板应力最大值为4.6463e7Pa，即46.46MPa，最大应力处位于距离电机最近的圆弧处。而底板材料为Q295A，屈服强度为295MPa，底板所受的最大应力远小于屈服强度极限值。

2 结束语

通过科学的分析手段对底板结构进行优化，意义在于寻找一条行之有效的分析方法，为生产实践提供可靠的理论支撑；创建真实的三维几何实体模型，建立符合要求的有限元模型，为正确分析提供必要的前提；通过对底板进行强度分析，为后续对底板结构进行优化做准备，提高底板的利用率；为现场提供优化方案，提供工厂生产效益。

参考文献

[1]吴宗泽.机械设计师手册[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2]王瑞，陈海霞，王广峰.ANSYS有限元网格划分浅析[J].天津工业大学学报，2002，21（4）：2-4.

[3]查太东，杨萍.基于Ansys Workbench的固定支架优化设计[J].煤矿机械，2012，33（2）：28-30.

[4]凌桂龙，丁金滨，温正.ANSYS WorkBenchl3. 0从入门到精通[M].清华大学出版社，2012.

[5]陆爽，孙明礼，丁金福，等.ANSYS Workbench 13有限元分析从入门到精通[M].机械工业出版社，2012.

作者简介：袁媛（1983-），女，河北张家口人，讲师，主要从事机械制造专业的教学与研究。endprint