基于Fluent 的真空搬运吸盘的多因素仿真分析

宋兆峰，袁锐波，赵丰

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大学 机电工程学院）

0 引言

伴随着我国汽车保有量的增加，对汽车用密闭式阀控铅酸蓄电池的需求量也不断上升。其中，蓄电池的搬运工作需要消耗工人大量体力和时间，所以，针对蓄电池形状的不规则，将吸盘作为工业码垛机器人的末端执行器是一种良好的解决方案[1-2]。吸盘吸附蓄电池是通过气腔中气流的稳定来实现的，要求气腔内具有一定的真空度且压力、流速均匀且稳定[3]。

对于吸盘的吸附性能，文献[4]研究认为,气吸室形状对气吸室流场压力的均匀分布均没有较大影响；文献[5]研究发现，气室负压和吸孔形式对吸盘的影响较大，吸种孔导程变化对吸孔最大气流速度距离的影响较小；文献[6]对于气管口接管类型又进行了进一步研究，得出了各种不同接管口类型对于气腔中气流稳定的影响因素。

在实际问题中，吸盘与被吸附物体之间会存在多孔垫板起保护和缓冲作用，多孔垫板也会对吸盘的吸附能力存在影响。所以,本文对垫板孔直径与其他因素之间进行了多因素分析，并对于多孔模型网格划分采用了O 型划分方式，使精度得以提高。

本文在SolidWorks 软件下建立模型，之后在ICEM CFD 软件下进行网格的划分与加密，从而得到高质量的网格，最终在Fluent 中进行边界条件的设定并进行仿真实验，最后比较结果，确定各种因素的影响，为提高吸盘的吸附效果提供了参考。

1 理论分析与结构设计

吸附车载用蓄电池的吸盘可设计为3 个部分，第1 部分为气腔，便于气体稳定与均匀地流动；第2 部分为带孔吸板，在板上分布着均匀排布的细孔；第3 部分为起缓冲作用的海绵橡胶垫板。其结构如图1 所示。

图1 车载用蓄电池吸盘结构示意图Fig.1 Schematic diagram of suction cup structure for vacuum handling

垫板末端平面的吸附力决定了真空吸盘的吸附效果，其吸附力为

式中：d1——垫板孔直径；d0——细板孔直径；C——阻尼系数，与负载电池的物料特性；μ——安全系数。当μ≥4 时，吸盘工作状态为水平吸；当μ≥8 时，吸盘工作状态为垂直吸;ΔP0——真空度。

本设计不涉及垂直运动，仅涉及水平运动。

2 模型的的建立

2.1 CFD 模型的建立

通过拟订正交表不同水平条件的组合，本文利用SolidWorks 对9 种不同的参数进行模型的建立，气腔大小为长100 mm、宽40 mm、高20 mm的长方体模型，管道为直径30 mm、高30 mm 的圆柱体模型。由于针对本文吸盘带孔吸板孔数数量多、密集的特点，所以，应该保证前处理时划分网格的质量，故采用ICEM CFD 来划分六面体结构化网格，从而提高求解精度，增强求解的收敛性，并针对里面圆柱体流道单独进行了O 型结构的划分，参见图2。

图2 ICEM CFD 网格划分结果Fig.2 ICEM CFD meshing results

本文在ANSYS/Fluent 中进行求解，流体假设为理想流体，根据雷诺数计算公式Re=ρUL/μ，对于内流而言得 Re＞2 300，即为湍流流动。湍流模型采用工程流体计算中主要应用的标准湍流模型。

设定边界条件。因文本模型为负压模型，压力出口边界条件设定为不同的真空度。压力进口边界条件为1 个标准大气压即101 325 Pa，壁面函数选用计算量小且又有高精度的标准壁面函数法。求解器采用基于SIMPLE 算法的压力求解器。最大迭代次数为150 次，模型收敛并且所有残差均小于0.01。

2.2 正交数值模型的建立

分析上述理论可得，抓取车载蓄电池吸盘性能取决于细孔直径、细孔深度、垫板直径、真空发生装置的真空度。所以，将上述4 个指标作为单因素正交试验的4 个因素。由于只考虑单因素之间的影响，采用的正交表为L9（34），一共做了9 次实验。仿真实验因素水平见表1。

表1 仿真实验因素水平Tab.1 Factor level of simulation experiment

2.3 单因素模型的建立

为了对吸盘结构进行优化，在正交试验的基础上进行了单因素数值模拟试验。参考模型可知，细孔直径、垫板直径、细孔深度和真空度的改变会对吸盘吸附力产生影响，所以，单因素采用上述4 种水平。设定边界条件。因本文模型为负压模型，将吸孔处的边界条件设置为压力入口，即1 个标准大气压强101 325 Pa。壁面函数选用同时兼顾计算量小与高精度的标准壁面函数法，求解器采用基于SIMPLE 算法的压力求解器，最大迭代次数为150 次，模型收敛并且所有残差均小于0.01。

3 仿真结果

3.1 正交实验结果

按上述四因素三水平正交试验进行9 组数值模拟试验，并用ANSYS/Fluent 计算结果。边界条件同多因素模型，并采用软件CFD-Pos 进行后处理。吸孔处的最大流速如表2 所示，吸孔处的速度流线图如图3 所示。

图3 实验切面速度云图Fig.3 Cloud diagram of experimental section velocity

表2 出口最大流速实验仿真表Tab.2 Experimental simulation of maximum flow rate at the outlet

图4 为实验速度流线图，可以方便清楚地看出每组实验流速的变化。

3.2 单因素实验结果

为了探究各种不同因素对吸盘吸附能力的影响，在正交试验的基础上进行了单因素数值模拟试验，分别选取细孔直径、垫板直径、细孔深度和真空度进行了5 组仿真，共计20 组实验结果，仿真内容及条件如下所示：

（1）对于细孔直径进行单因素数值分析，垫板直径取15 mm，细孔深度1.5 mm，真空度为30 kPa，细孔直径为0.8～1.6 mm，间隔0.2 mm。

（2）对于垫板直径进行单因素数值分析，细孔直径取1.2 mm，细孔深度取1.5 mm，真空度为30 kPa，垫板直径为10～20 mm，间隔2.5 mm。

（3）对于细孔深度进行单因素数值分析，细孔直径取1.2 mm，垫板直径取15 mm，真空度为30 kPa，深度为1～2 mm，间隔0.25 mm。

（4）对于真空度进行单因素数值分析，细孔直径取1.2 mm，垫板直径取15 mm，细孔深度取1.5 mm，真空度为10～50 kPa，间隔10 kPa。

各因素下吸孔处的最大速度如图5 所示。

4 实验结果分析

对正交试验采用方差分析，并通过查文献可知，垫板直径影响因素较小，故将垫板直径作为误差列[7]。利用数理统计软件SPSS 进行分析，得到表3 所示的多因素方差分析表。

表3 多因素方差分析结果Tab.3 Results of multi-factor analysis of variance

结合对表1、2、3 的分析，通过方差分析得出：细孔直径和真空度对实验结果具有显著影响（P＜0.01），垫板直径和细孔深度无显著影响（P＞0.05），吸口处最大气流速度的性能因素由高到低分别为：D 真空度，A 细孔直径，C 细孔深度，B 垫板直径，吸孔最大气流速度的因素组合为A1，B1，C2，D3，即真空度40 kPa、细孔直径0.8 mm、细孔深度1.25 mm、垫板直径15 mm。

通过图3、图4 观察到，随着细孔的增大，气流在管道内更趋近于平稳，这是由于随着流速的降低，气流趋于稳定，减少了涡流的产生，与单因素结果相吻合。

图4 实验速度流线图Fig.4 Experimental velocity flow diagram

由图5 分析知，随着细孔直径的增加，吸孔处最大流速成阶梯性下降。根据伯努利方程和连续性方程可知，细孔流速×细孔截面积A=垫板流速×垫板截面积。截面流量不变，流体从垫板通道流到直径较小的细孔通道时，细孔面积越小，流速会越大。

图5 不同因素下入口处最大速度Fig.5 Maximum inlet speeds with different vacuum degrees

垫板直径对于吸盘的吸附效果影响较小，最大出口速度不随垫板直径的变化而变化，这是由于垫板对流经垫板区域进入吸孔的气体起到了稳定的作用，垫板直径远大于细孔直径，所以，在合理范围内，垫板直径的变化对结果影响不明显。

随着细孔深度的增加，最大出口速度逐渐变小，但变化不明显。

吸盘吸孔直径为0.8 mm，压力入口为1 个标准大气压，压力出口处真空度分别为10，20，30，40 kPa 时，气力部件出口处的最大速度表明，真空度的变化对气吸室内气流的分布形态影响很大，在不同真空度下入口气流最大速度表明，真空度增大时，入口气流平均速度增大，增加了吸附性能，与公式结果相吻合。

5 结论

吸盘的最大影响因素为真空度，其次是细孔直径、细孔深度，最后为垫板直径。其中，真空度和细孔直径对于入口处最大流速具有显著影响，细孔直径和细孔深度具有非显著影响。

在有限范围内，达到最优吸附效果的条件即真空度40 kPa，细孔直径0.8 mm，细孔深度1.25 mm，垫板直径15 mm。

随着细孔直径的增加，吸孔处最大流速成阶梯性的下降；随着细孔直径的增加，吸孔处最大流速成阶梯性的下降；随着细孔深度的增加，最大出口速度逐渐变小，但变化不明显。

基于ICEM CFD 软件中O 型的网格划分，能够大幅度提高试验精度。与传统的六面体网格划分相比，解决了六面体网格在划分圆形区域网格不规则、不精确的缺点，进一步加强了仿真的准确性。