基于Fluent 的真空搬运吸盘的多因素仿真分析

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

（a）实验1 （b）实验2（c）实验3（d）实验4（e）实验5（f）实验6（g）实验7（h）实验8（i）实验9

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

（a）实验1（b）实验2（c）实验3（d）实验4（e）实验5（f）实验6 （g）实验7（h）实验8（i）实验9

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。