基于ANSYS的砌块码垛机主机结构设计及研究



基于ANSYS的砌块码垛机主机结构设计及研究

制作好的砌块砖需要码垛搬运至其他场地进行养护，针对该工作的需要，设计了一套砌块码垛机设备。在UG中建立整机三维模型，确定了砌块码垛机的结构，借助ANSYS 有限元法分析了砌块码垛机整体的静动态特性，查找出缺陷，并进行改进，优化了设计方案。关键词：码垛机；UG建模；ANSYS仿真；结构设计

300222 天津职业技术师范大学机械工程学院 天津｜骆勇

315609 宁海县高级职业技术中心学校 浙江 宁波｜闫利文

由废弃物产生大户的建筑材料出发，结合中国的实际情况，将废弃建筑材料由污染环境到利用垃圾，变废为宝的新型环保材料的产量化生产为基础，对环境保护具有重要的意义［1］。可将废弃建筑材料制作成砌块砖，而制作好的砌块砖需要码垛并搬运至其他场地进行养护，因此需要一套码垛设备。本文针对砌块砖设计出一套码垛机，在UG中建立三维模型，确定出砌块码垛机的结构。借助ANSYS有限元法分析了砌块码垛机整体的静动态特性，分析其不足及缺陷，加以改进，并验证方案，优化设计，得到满意的设计结果。

砌块码垛机设计要求

砌块码垛单层由50块砌块砖构成，尺寸为长990mm、宽990mm、高60mm，重为100kg。码垛要求：在码垛过程中要求对物料损伤小，码垛速度及进给稳定，码垛需整齐排列，每层之间交叉码放。码垛机整体码垛速度为2分钟/循环，额定码垛效率为12t/h。

砌块码垛机设计方案

根据砌块码垛机设计要求，制定多种方案，经过分析对比，确定最佳设计方案，该设计方案如图1所示。

砌块码垛机主机，码垛30s每循环。在一次循环中，主要流程为：托盘在下位接收到砌块砖，通过竖直驱动机构，整机提升，同时由气缸动作，抬升夹板；之后，通过水平电机驱动，将托盘及砌块砖送至指定位置；气缸动作，夹板整理砌块砖；之后水平电机驱动，送出托盘；气缸动作，夹板回归初始位置；之后由底座电机带动底座及砌块砖整体旋转90°，使每层之间交错叠放；最后，通过竖直驱动机构，整机下降，完成一次循环。即码垛机主机码垛分为整架提升、夹板抬升、托盘送料、夹板整料、托盘送出、夹板回归、底座旋转及整架下降，八个部分。

砌块码垛机主机的静动态特性分析

a静态特性分析

静态特性是考虑在最大外载荷的作用下机构的变形能力，因此需要分析在外力作用下的几个极限位置［2］的静力性能。

①砌块码垛机主架静态特性分析

将码垛机主机主架按照要求进行结构简化，然后导入ANSYS Workbench软件中，再借助Static Structural模块对码垛机进行静力学分析［3-4］。

如图2所示，求解出的最大变形量Total Deformation为0.092mm，其位于载砖板的顶端。如图3所示，主架平均应力Equivalent（von-Mises）Stress的最大值为10.943MP，其位于拖板横梁连接处。由求解结果可知，码垛机主架结构整体满足强度、刚度要求。

图2　主架变形云图

图3　主架平均应力云图

②旋转机构整体静态特性分析

将码垛机旋转机构按要求进行结构简化，并导入ANSYS Workbench软件中，借助Static Structural模块对其进行静力学分析［3-4］。

如图4所示，求解出旋转机构的最大变形量Total Deformation为0.668mm，其位于平板边界处。如图5所示，其平均应力Equivalent（von-Mises）Stress的最大值为66.741MP，其位于旋转机构支撑处。由求解结果可知，码垛机旋转结构整体满足强度、刚度要求。

图4　旋转机构变形云图

图5　旋转机构平均应力云图

b砌块码垛机主架动态特性分析

将砌块码垛机主架进行相应简化，在ANSYS Workbench软件中，运用Modal模块进行分析。各个部件之间，采用绑定接触，将砌块码垛机与地面采用固定约束，模态分析阶数设定为6阶。

砌块码垛机结构改进

对于旋转机构，旋转时上端平台将进行水平移动，为避免此运动，需进行改进。因此，在上端平台三侧面安置角钢，以保证旋转机构在旋转时整体的平稳。

将改进后的旋转机构进行结构简化，并导入ANSYS Workbench软件中，借助Static Structural模块对其进行静力学分析。

结束语

本文对砌块码垛机主机结构进行设计，借助ANSYS分析软件，对整体结构进行分析计算，求解出各个机构的变形及应力，并对关键部位进行模态分析，验证了整体结构的稳定性、安全性。查找出机构设计中的不足，并进行改进，加强了机构的稳定性及安全性。因此，为今后砌块码垛机的设计，具有一定的指导意义。

参考：

［1］郎勇.建筑节能及发展趋势［J］.山西建筑，2008 （11）.

［2］许京荆.ANSYS Workbench13.0数值模拟技术［M］.北京：中国水电出版社，2012.

［3］李兵，何正嘉，陈雪峰ANSYS Workbench设计仿真与优化［M］.北京：清华大学出版社，2011.

［4］凌桂龙，丁金滨，温正.ANSYS Workbench13.0从入