張小珍, 沈嶸楓, 周成軍， 周新年， 林　曙， 吳傳宇

(福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，福建 福州 350002)

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夾爪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

張小珍, 沈嶸楓, 周成軍， 周新年， 林曙， 吳傳宇

(福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，福建 福州 350002)

為了加強(qiáng)夾爪的結(jié)構(gòu)，提高其承載能力，使用SolidWorks軟件建立夾爪的三維模型，并分析夾爪滿載時(shí)液壓缸和鉗口的受力情況，闡述模型靜力學(xué)分析的邊界條件.通過(guò)HyperWorks軟件對(duì)模型進(jìn)行有限元分析，對(duì)鉗口的強(qiáng)度進(jìn)行校驗(yàn).通過(guò)分析鉗口的應(yīng)力云圖，對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)和重新設(shè)計(jì)，并對(duì)新模型進(jìn)行驗(yàn)證.結(jié)果表明，改進(jìn)模型2(增大側(cè)板外弧半徑)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比改進(jìn)模型1(增加側(cè)板厚度)的更加合理.

夾爪; 建模; 有限元分析; 可靠性

鋸木廠對(duì)木頭的搬運(yùn)主要是借助夾爪，夾爪是木材裝載機(jī)中的重要機(jī)械設(shè)備，夾爪性能的好壞直接影響著木材抓取工作效率.因此，夾爪尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)合理才能滿足承載性能.夾爪在工作中要承受復(fù)雜的工作載荷，為防止夾爪在工作時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變不足，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)斷裂，借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì).利用SolidWorks軟件建立三維模型，然后在HyperWorks軟件中搭建有限元模型，對(duì)模型進(jìn)行靜力分析，驗(yàn)證模型的應(yīng)力應(yīng)變，保證了模型設(shè)計(jì)的合理性[1,2].借助HyperWorks軟件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析、仿真，既可以提高設(shè)備的性能，又可以大大縮短研究的周期和成本[3].本研究利用SolidWorks軟件建立夾爪的三維模型，并導(dǎo)入到HyperWorks軟件中，對(duì)夾爪進(jìn)行有限元分析，通過(guò)研究其剛度和強(qiáng)度是否滿足要求來(lái)驗(yàn)證其可靠性，旨在為產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù).

1　夾爪三維建模

夾爪主要由兩部分組成，即框架和鉗口，其作用是用于拾取、撿起并移動(dòng)木材.鉗口的運(yùn)動(dòng)主要依靠液壓缸控制，確保張開(kāi)和閉合的運(yùn)動(dòng).SolidWorks作為三維造型設(shè)計(jì)軟件，已成為三維實(shí)體框架模型的一種設(shè)計(jì)系統(tǒng)[4].對(duì)夾爪各部件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，再通過(guò)三維建立模型SolidWorks軟件對(duì)夾爪關(guān)鍵部件進(jìn)行實(shí)體建模，體現(xiàn)實(shí)體特征；通過(guò)各個(gè)零部件的組合，裝配成夾爪樣機(jī)，結(jié)果如圖1所示.

2　受力分析

鉗口在工作時(shí)，因不同狀態(tài)下受到的力不同，所以只對(duì)鉗口在滿載時(shí)進(jìn)行計(jì)算.鉗口滿載時(shí)，即鉗口閉合時(shí)，液壓缸作用在鉗口的推力FZ最大，鉗口下端最大夾持力FP，如圖2所示.

2.1液壓缸受力分析

圖3為鉗口開(kāi)/關(guān)時(shí)作用的軸向力，通過(guò)計(jì)算出活塞的面積來(lái)得到軸向力.計(jì)算過(guò)程表示如下：

(1)關(guān)閉鉗口時(shí)的活塞面積：

(1)

(2)打開(kāi)鉗口時(shí)的活塞面積：

(2)

(3)關(guān)閉鉗口時(shí)的軸向力：

FZ=Pmax·SPZ=20×1 963=3.926×104N

(3)

(4)打開(kāi)鉗口時(shí)的軸向力：

茶染所用染料來(lái)源于茶葉，其在服飾設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要取決于染料和面料的結(jié)合效果，通過(guò)實(shí)踐證明茶染適用于所有天然纖維面料，在部分再生纖維面料上也具有良好的效果，如牛奶蛋白纖維面料等[9-10]。由于面料本身的結(jié)構(gòu)與性能不同，茶染色澤上會(huì)有豐富的變化。

PO=Pmax·SPO=20×1 347=2.694×104N

(4)

式中：Pmax表示液壓回路中的最大壓力，取值20 N；DP表示活塞直徑，取值50 mm；dPI表示活塞桿直徑，取值28 mm.

2.2鉗口受力分析

鉗口滿載時(shí)，受到關(guān)閉鉗口時(shí)的軸向力FZ，計(jì)算出鉗口的最大夾持力FP.在長(zhǎng)度Lh和LP是固定的條件下，假設(shè)平衡力矩的點(diǎn)為滑動(dòng)套筒軸線上的點(diǎn)，計(jì)算過(guò)程表示如下：

∑MA=0

FZ·Lh=FP·LP

(5)

根據(jù)力的作用是相互作用、相互平衡，得到：

∑Fy=0

FC=FZ+FP

FC=39 260+5 499=4.475 9×104N

(6)

3　強(qiáng)度分析

3.1液壓缸強(qiáng)度

夾爪動(dòng)力主要是由液壓缸提供，液壓缸活塞桿的穩(wěn)定性決定了夾爪的穩(wěn)定性，需要對(duì)活塞桿強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算.活塞桿材料是C45E鋼，強(qiáng)度為340 MPa.活塞的小徑為28 mm，長(zhǎng)度為360 mm.活塞桿的慣性二次力矩表示如下：

(7)

活塞桿的橫截面積：

(8)

式中，dPI表示活塞桿直徑，為28 mm.

長(zhǎng)細(xì)桿特征值：

(9)

式中：l0表示桿的長(zhǎng)度；JZ表示活塞桿的慣性二次力矩；SPI表示活塞桿的橫截面積.

臨界應(yīng)力的計(jì)算：

σkr=335-0.62·λ=335-0.62×51.5=303 MPa

(10)

因σkr=303 MPa≤[σ]=340 MPa，即活塞桿滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)，表明活塞桿設(shè)計(jì)合理.

3.2鉗口強(qiáng)度

在現(xiàn)代機(jī)械裝備的研發(fā)過(guò)程中，傳統(tǒng)的研究方法復(fù)雜、成本高、花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，已不適應(yīng)現(xiàn)代設(shè)計(jì)，虛擬仿真設(shè)計(jì)提高了研究效率，具有一定的擴(kuò)展性、兼容性和前瞻性，是裝備研發(fā)的一個(gè)重要手段[5].產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程包括方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、驗(yàn)證設(shè)計(jì)3個(gè)階段.其中驗(yàn)證階段是至關(guān)重要的，采用HyperWorks軟件驗(yàn)證模型，可直接在界面上改變產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參數(shù)、材料等，大大減少了設(shè)計(jì)的時(shí)間和成本[6].HyperMesh是一個(gè)高質(zhì)量高效率的有限元前處理器，可以利用高度交互的可視化環(huán)境建立夾爪有限元模型，并應(yīng)用其強(qiáng)大的幾何清理功能來(lái)修正夾爪幾何模型中的錯(cuò)誤，從而提升建模效率[7].采用HyperWorks軟件對(duì)夾爪進(jìn)行靜力學(xué)分析，主要過(guò)程如圖4所示.模型驗(yàn)證的主要過(guò)程是在SolidWorks軟件中建立三維模型，并導(dǎo)入到HyperWorks軟件中.首先進(jìn)行模型的幾何清理，再進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，定義夾爪的材料屬性、約束，最后通過(guò)Optistruct求解器求解出夾爪的應(yīng)力應(yīng)變[8].應(yīng)力應(yīng)變反映出模型的破壞情況，因此通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn).

4　模型的改進(jìn)

通過(guò)鉗口的有限元分析，對(duì)鉗口在臨界條件下，即夾爪滿載時(shí)，采用HyperWorks軟件分析鉗口的應(yīng)力.由圖6可知，鉗口受到的應(yīng)力大多數(shù)出現(xiàn)在4個(gè)側(cè)板邊緣上，為175.7 MPa，超出了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的許用應(yīng)力(113 MP).因此，對(duì)4個(gè)側(cè)板采取加強(qiáng)措施，如使用較高強(qiáng)度的材料，對(duì)一些部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn).改進(jìn)后的模型見(jiàn)表2.

對(duì)上面改進(jìn)后的鉗口重新建立模型，進(jìn)行有限元分析，并對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到的結(jié)果如表3所示.由表3可知，通過(guò)對(duì)改進(jìn)后模型強(qiáng)度的校驗(yàn)，結(jié)果表明當(dāng)4個(gè)側(cè)板厚度加大，改進(jìn)后鉗口的最大應(yīng)力為85.2 MPa，低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[9]中的許用應(yīng)力(113 MPa)，滿足要求.當(dāng)4個(gè)側(cè)板外弧半徑加大，最大應(yīng)力值為95.4 MPa，也低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[9]中的許用應(yīng)力(113 MPa)，故也滿足條件.

表2　鉗口改進(jìn)模型與原模型的比較

表3　原模型與改進(jìn)后模型的對(duì)比分析

改進(jìn)后2種模型都滿足應(yīng)變條件，但改進(jìn)模型2(4個(gè)側(cè)板外弧半徑加大)的體積為9.30×106mm3，比改進(jìn)模型1的體積小，而且改進(jìn)模型2最大應(yīng)力比較接近材料的許用應(yīng)力值.通過(guò)將改進(jìn)模型1與改進(jìn)模型2進(jìn)行對(duì)比分析(表3)，結(jié)果表明改進(jìn)模型2的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更合理.

5　小結(jié)

利用SolidWorks軟件建立夾爪的三維模型，顯示模型的特征，導(dǎo)入到HyperWorks軟件中進(jìn)行有限元分析.通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格化以及施加材料屬性和邊界條件，利用Optistruct求解器求得模型的應(yīng)力應(yīng)變，在應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D中判斷夾爪設(shè)計(jì)的合理性.通過(guò)加強(qiáng)4個(gè)側(cè)板的厚度以及將4個(gè)側(cè)板外弧半徑加大，使鉗口的應(yīng)力滿足要求，實(shí)現(xiàn)夾爪的合理設(shè)計(jì).

[1] 陳英凱,閔令強(qiáng),儀垂良,等.基于SolidWorks和ANSYS的抓木機(jī)動(dòng)臂有限元分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2013,51(1):39-41.

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[5] 沈嶸楓，張小珍，周新年，等.森林工程采運(yùn)裝備虛擬實(shí)驗(yàn)示范中心建設(shè)[J]．實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2015(5)：163-165．

[6] 夏勇,殷晨波,王寶家.基于HyperWorks的大型門式起重機(jī)靜力學(xué)及固有頻率特性研究[J].礦山機(jī)械,2015,43(1):44-47.

[7] 任潤(rùn)國(guó),尉慶國(guó),樊卓聞.基于HyperMesh的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件網(wǎng)格劃分[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2014(1):28-31.

[8] 陳勇棠,朱瑞丹.基于HyperWorks的行星攪拌機(jī)工作部件靜力學(xué)分析[J].柳州師專學(xué)報(bào),2015,30(2):136-138.

[9] 全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB150-2011 壓力容器[S]．北京：新華出版社，2011.

(責(zé)任編輯:葉濟(jì)蓉)

Design and analysis on the structure of claw

ZHANG Xiaozhen, SHEN Rongfeng, ZHOU Chengjun， ZHOU Xinnian， LIN Shu， WU Chuanyu

(College of Transportation and Civil Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350002, China)

To optimize the structure of claw for better bearing capacity and reinforcement, three-dimensional model of claw clip was established by SolidWorks software, and boundary condition of statics analysis was evaluated basing on the force of hydraulic pump and jaw when claw was fully loaded. Strength of the jaw was verified by finite element analysis via HyperWorks. Subsequently, the original jaw model was redesigned and modified basing on stress nephogram and followed by revalidation on the performance of the new model. The results showed that the structure design of the improved model 2 (an increase of side outer arc radius) was more reasonable than the improved model 1 (an increase of side plate thickness).

claw; modeling; finite element; reliability

2015-07-08

2015-12-15

福建農(nóng)林大學(xué)教材與實(shí)踐研究項(xiàng)目(111414044)；國(guó)家教育部創(chuàng)新科技計(jì)劃項(xiàng)目(111ZC5040)；福建農(nóng)林大學(xué)林業(yè)智能機(jī)械立體化教材項(xiàng)目(112515013)；福建農(nóng)林大學(xué)交通運(yùn)輸類實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心資助項(xiàng)目(01SJ10009)；福建農(nóng)林大學(xué)高水平大學(xué)建設(shè)重點(diǎn)資助項(xiàng)目(113-612014018).

張小珍(1991-)，女，碩士研究生.研究方向：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).Email：1027470976@qq.com.通訊作者沈嶸楓(1970-)，男，副教授，博士.研究方向：林業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì).Email：fjshenrf@163.com.

TK83

A

1671-5470(2016)03-0356-05

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2016.03.020