基于ABAQUS的機(jī)械夾持器熱分析

趙思博 李成棟 李 陽(yáng) 趙雪雪 段金鵬 張慶芳

（1.江蘇海洋大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，連云港 222005；2.江蘇匯能激光智能科技有限公司，宿遷 263800）

隨著生產(chǎn)車(chē)間自動(dòng)化技術(shù)的普及，夾持器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)機(jī)器的工作流程重要作用愈發(fā)凸顯[1]。對(duì)于夾持高溫鍛件的夾持器進(jìn)行熱分析，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有極其重要的價(jià)值，能夠有效保障整個(gè)夾持器在夾持鍛件時(shí)不受高溫的干擾。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)鍛造機(jī)器人的夾持器進(jìn)行了深入研究。趙錦芝等針對(duì)熱沖壓運(yùn)送物料設(shè)計(jì)了一款耐高溫的機(jī)械夾持器，利用1 100～1 200 ℃的高溫工件，可以讓工人不再近距離接觸高溫鍛件，減少了事故的發(fā)生，提高了安全性[2]。文獻(xiàn)[3]中提到對(duì)熱加工搬運(yùn)機(jī)器人包括夾持器在內(nèi)的一些重要零部件進(jìn)行改良，通過(guò)改進(jìn)它們的結(jié)構(gòu)、材料、涂層等，有效改善高溫工件對(duì)機(jī)體的高溫?zé)醾鬟f效應(yīng)，但它未對(duì)機(jī)械臂末端連接的夾持器加長(zhǎng)桿過(guò)長(zhǎng)對(duì)機(jī)械臂的影響進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[4]針對(duì)車(chē)銑復(fù)合機(jī)床在工作時(shí)熱變形的問(wèn)題，使用ABAQUS軟件對(duì)整機(jī)和各個(gè)部位進(jìn)行分析及仿真。根據(jù)仿真云圖對(duì)檢測(cè)的敏感部位進(jìn)行材料及相關(guān)部位的設(shè)計(jì)改進(jìn)，提高了復(fù)合機(jī)床的生產(chǎn)機(jī)能，特別是工件的加工精度方面。查閱相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)機(jī)械臂末端夾持器隔熱的研究（包括材料和隔熱厚度），對(duì)改進(jìn)機(jī)械臂末端夾持器的熱變形和夾持器各部位的溫度控制方法具有重要的參考價(jià)值。例如，文獻(xiàn)[5]對(duì)不同隔熱材料的熱分析優(yōu)化了隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了材料利用率，為整體高溫?fù)Q膜機(jī)械手的設(shè)計(jì)去除了隔熱方面的顧慮。文獻(xiàn)[6]研究隔熱層厚度對(duì)被隔熱物體的影響，發(fā)現(xiàn)涂層越厚涂層的表面溫度越低，并且研究出有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合隔熱保溫涂料的最佳組成成分，但是未提到在給定要求的條件下如何比較圖層的最優(yōu)厚度。它對(duì)設(shè)計(jì)的夾持器進(jìn)行熱仿真分析，在保證鍛件熱量不會(huì)影響夾持器氣缸所在部位的前提下，通過(guò)施加墊片和改進(jìn)結(jié)構(gòu)達(dá)到熱防護(hù)的目的。

ABAQUS軟件具有超強(qiáng)的數(shù)據(jù)模擬仿真分析能力，在研究設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和材料方面有獨(dú)當(dāng)一面的作用，涉及的領(lǐng)域極其廣泛，包括熱分析、模態(tài)分析、固體力學(xué)分析以及流體力學(xué)分析等。軟件的超強(qiáng)計(jì)算能力使得結(jié)果云圖清晰精準(zhǔn)，具有高精度和快速收斂性。本文以有限元軟件ABAQUS為基礎(chǔ)分析夾持器的相關(guān)特性。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在鍛造生產(chǎn)車(chē)間，對(duì)于一些高溫鍛件需要有相應(yīng)的夾持器對(duì)其進(jìn)行夾持。依照安全穩(wěn)定夾持移動(dòng)圓柱形高溫鍛件的原則，設(shè)計(jì)一款耐高溫、適用于圓柱形鍛件且?jiàn)A持穩(wěn)定的夾持器。夾持器的設(shè)計(jì)有多種類(lèi)型，依據(jù)抓取方式可分為夾、捏、握。針對(duì)不同形狀的被加持物體可以選取最適應(yīng)的抓取方式。由于被加夾持工件為圓柱狀，本文設(shè)計(jì)了一種非完全對(duì)稱(chēng)的三指夾持器。設(shè)計(jì)的夾持器分為兩端，一端為單指，另一端為雙指。從側(cè)面看，雙指關(guān)于單指對(duì)稱(chēng)。三指的結(jié)構(gòu)相同，大小相等，并留有放置隔熱墊片的槽口。結(jié)構(gòu)整體如圖1所示。

圖1 夾持器的整體模型結(jié)構(gòu)

2 熱分析的概述及理論

2.1 熱分析的概述

熱分析最早在19世紀(jì)70年代的第七次國(guó)際熱分析協(xié)會(huì)會(huì)議上被提出。會(huì)議指出，熱分析的實(shí)質(zhì)是利用給定的溫度控制研究不同溫度下的物質(zhì)呈現(xiàn)的物理變化。歷經(jīng)多年，在科研人員不斷嘗試與研究下，熱分析現(xiàn)在已經(jīng)成為一種比較完整且適用性極強(qiáng)的理論。它在工程中的應(yīng)用極廣，研究的具體內(nèi)容多是整體及零部件的溫度場(chǎng)、熱變形等。

2.2 穩(wěn)態(tài)熱分析的基本理論

熱分析就是對(duì)熱量的研究，因此遵循能量守恒定律

式中：Q為熱量，J；W為做功，N·m；ΔU為系統(tǒng)內(nèi)能，J；ΔKE為系統(tǒng)動(dòng)能，N·m；ΔPE為系統(tǒng)勢(shì)能，J。

對(duì)于大部分工程傳熱問(wèn)題ΔKE=ΔPE=0。令W=0，則Q=ΔU。對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱分析Q=ΔU=0，即沒(méi)有熱量的增加或損失。

2.3 隨機(jī)溫度場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)分析

夾持器夾持高溫工件的過(guò)程中存在對(duì)流和熱傳遞。由于操作過(guò)程時(shí)間很短，這里的熱輻射不予考慮。在實(shí)際工況下，夾持器被高溫影響，存在材料工件參數(shù)改變的問(wèn)題，導(dǎo)致理論數(shù)值與實(shí)際相差較大。如果把工件結(jié)構(gòu)中參數(shù)變量作為隨機(jī)變量，可以改善這一現(xiàn)象。本文將導(dǎo)熱系數(shù)作為隨機(jī)變量，基于Neumann采用Monte-Carlo有限元法分析溫度場(chǎng)的響應(yīng)問(wèn)題。

3 仿真過(guò)程

3.1 材料屬性

設(shè)計(jì)的夾持器整體機(jī)構(gòu)制造材料為45鋼，隔熱墊片的材料是Al2O3，夾持高度和直徑是均為200 mm的柱形工件。在未添加隔熱墊片前，即原始夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)定的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為40 028，單元總數(shù)為136 679。機(jī)構(gòu)材料的各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

表1 部件的材料屬性

3.2 劃分網(wǎng)格

模型中含有許多細(xì)微的螺紋孔和倒角，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格單元的劃分變得細(xì)小，進(jìn)而產(chǎn)生龐大的計(jì)算量，所以需要把一些對(duì)整體影響不大的螺紋孔和倒角進(jìn)行填充或直接去倒角。夾持器大部分采用四面體作為網(wǎng)格形狀，一些較為規(guī)整的部件劃分了適宜數(shù)量的六面體網(wǎng)格，以縮短軟件計(jì)算時(shí)間。

3.3 載荷和約束的添加

固定夾持器腕部前端法蘭盤(pán)部位的初始狀態(tài)，然后建立膜條件即表面熱交換條件。相鄰接觸零部件之間建立綁定約束。夾持器全局部件的接觸設(shè)置為通用接觸。夾持器的墊片放置區(qū)域與工件相接觸的位置設(shè)置溫度為1 000 ℃，室溫設(shè)置為22 ℃，并給予夾持器初始溫度為22 ℃。

3.4 仿真結(jié)果

分別對(duì)隔熱墊片進(jìn)行1～10 mm共10種不同厚度隔熱墊片下的溫度-位移耦合仿真分析，得到10組云圖，對(duì)比后選取其中1組圖作為代表云圖對(duì)比后發(fā)現(xiàn)4 mm墊片為最優(yōu)，如圖3所示。

3.5 結(jié)果分析

仿真結(jié)果表明，1 mm墊片的熱變形區(qū)域是最大的，達(dá)到1.314 mm。通過(guò)對(duì)比熱變形圖發(fā)現(xiàn)，隔熱墊片越厚，膨脹變形區(qū)域就越小。4 mm隔熱墊片下的機(jī)械夾持器氣缸和隔熱片接觸位置的溫度剛好達(dá)到22 ℃，且隨著墊片的加厚，高溫區(qū)域離氣缸越來(lái)越遠(yuǎn)。7 mm隔熱墊片下熱量被阻隔嚴(yán)重，高溫區(qū)域距離末端較短，所以墊片越厚，熱量傳遞的距離越短。通過(guò)對(duì)比可以看出，4 mm隔熱墊片的厚度最適合這款?yuàn)A持器的臨界厚度，在安全工作區(qū)域的界定和材料的節(jié)省方面都最合適。

圖3 不同厚度墊片夾持器的仿真云圖

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化夾持器兩指末端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在手指支撐臂上進(jìn)行“7”字形的貫穿切削，并驗(yàn)證改進(jìn)后的夾持器的溫度場(chǎng)和熱變形情況。圖4是4 mm隔熱墊片對(duì)改進(jìn)后的夾持器的溫度場(chǎng)和變形情況影響的仿真結(jié)果。

對(duì)比圖3（c）、圖3（d），如表2所示，改進(jìn)前的夾持器溫度場(chǎng)在溫度到達(dá)連接板時(shí)剛剛恢復(fù)到室溫，而改進(jìn)后的夾持器在手指支撐臂的關(guān)節(jié)處已經(jīng)恢復(fù)至室溫狀態(tài)。對(duì)于熱變形情況，改進(jìn)后只有極其微小的增加，完全可以忽略不計(jì)。因此，結(jié)構(gòu)的改進(jìn)對(duì)夾持器具有較強(qiáng)的保護(hù)作用，可為之后的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供有效的參考價(jià)值。

圖4 改進(jìn)后的夾持器的仿真云圖

表2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種不對(duì)稱(chēng)三指夾持器，基于有限元軟件ABAQUS對(duì)其進(jìn)行夾持工件過(guò)程的傳熱仿真分析。對(duì)夾持器末端墊片不同厚度的高溫加持仿真，對(duì)比熱量分布云圖得出使夾持器安全工作的最優(yōu)墊片厚度為4 mm。為解決夾持末端過(guò)重的問(wèn)題，對(duì)夾持器手指支撐臂進(jìn)行“7”字形貫穿切削，并驗(yàn)證了改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能更好地限制高溫向夾持器主體部位的傳遞，其熱變形也在合理范圍內(nèi)，不僅降低了末端重量，還提高了材料利用率。