摘要：實驗室自行設(shè)計的起吊系統(tǒng)是實現(xiàn)自動運輸過程的主要執(zhí)行部件，其可靠性直接影響著設(shè)備的安全性。本文使用“SolidWorks Simulation”工具對起吊系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)的主架機構(gòu)進行有限元分析，采用設(shè)計算例獲取主支架及導(dǎo)軌厚度的較佳設(shè)計參數(shù)。

關(guān)鍵詞：有限元 SolidWorks Simulation 設(shè)計算例 起吊系統(tǒng)

1 分析目標

實驗室自行設(shè)計的起吊系統(tǒng)由位移機構(gòu)及主架機構(gòu)組成。位移機構(gòu)用于起吊工件承載機構(gòu)，并將其輸送到指定位置；主架機構(gòu)用于支撐位移機構(gòu)，為其提供必要的導(dǎo)軌、主支架等設(shè)施，采用SolidWorks建模如圖1。

起吊系統(tǒng)中重量載荷及沖擊載荷先傳遞到位移機構(gòu)，再由位移機構(gòu)將重量載荷及沖擊載荷傳遞給主架機構(gòu)[1]。主架機構(gòu)受到的外部載荷主要來自兩個方面，一是位移機構(gòu)、工件及工件承載機構(gòu)的重量載荷，二是位移機構(gòu)沿導(dǎo)軌滑動時產(chǎn)生的摩擦力載荷，其中，重量載荷是主要因素。主架機構(gòu)為起吊系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，分析時應(yīng)主要考慮主架機構(gòu)的設(shè)計算例，并重點關(guān)注位移機構(gòu)、工件及工件承載機構(gòu)的重量載荷對其的影響。

2 簡化起吊系統(tǒng)模型及材料屬性

起吊系統(tǒng)的主架機構(gòu)為最薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)重點分析，對其適當簡化，去除有限元分析時不必要的零部件，如螺栓、螺母、墊片等[2]。

2.1 簡化位移機構(gòu)。設(shè)計時，先考慮了位移機構(gòu)的可靠性，且強度好于主架機構(gòu)，因此，對位移機構(gòu)做替換性簡化，分析時將位移機構(gòu)視為實體單元，并使用與位移機構(gòu)等重量、等尺寸的長方體替換整個位移機構(gòu)。如圖2。

2.2 應(yīng)力集中的簡化處理。對起吊系統(tǒng)易產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域，進行圓角處理，避免尖角的存在，如圖2所示。該簡化處理可提高各設(shè)計算例的有限元分析速度，縮短有限元分析時間，同時，也減少了其它不必要零部件對有限元分析過程的干擾，提高了分析結(jié)果的準確性。

2.3 為主支架及導(dǎo)軌應(yīng)用材料屬性，選擇合適的材料[3]。此次分析中，主支架及導(dǎo)軌的材料指定為合金鋼，該材料的主要屬性如下：屈服強度為620MPa；彈性模量為2.1×1011N/m2；抗剪模量為7.9×1010N/m2；張力強度為7.2×108N/m2；泊松比為0.28；密度為7.7×1011kg/m3；對位移機構(gòu)的簡化模型應(yīng)用自定義材料屬性，強度與合金鋼相同，質(zhì)量與整個位移機構(gòu)的質(zhì)量相等。

3 分析前處理

3.1 約束的添加。簡化模型使用的約束條件有“固定幾何體”約束及“螺栓”接頭約束。主支架通過地腳螺栓與工作地面固定，對主支架的四個地腳板與工作地面的接觸面添加“固定幾何體”約束。主支架與導(dǎo)軌通過螺栓聯(lián)接，分別在螺栓聯(lián)接處添加“螺栓”接頭。

3.2 設(shè)置各零部件的接觸類型。指定全局接觸類型為“接合”接觸，即位移機構(gòu)簡化模型與導(dǎo)軌之間及導(dǎo)軌與主支架之間的接觸類型均為“接合”接觸，該零部件接觸類型將接觸面合并，并將整個分析對象視為一個整體。

3.3 載荷的添加。起吊機構(gòu)簡化模型受到的主要外部載荷為工件及工件承載機構(gòu)的重量載荷及位移機構(gòu)沿導(dǎo)軌滑移時產(chǎn)生的摩擦力載荷，其中，重量載荷是主要因素。本次僅添加工件及工件承載機構(gòu)的重量載荷，該重量載荷添加到位移機構(gòu)簡化模型的底面處，施加載荷的大小及方向與工件及工件承載機構(gòu)的重量載荷的大小及方向相同。圖3為約束及載荷的添加示意圖。

3.4 網(wǎng)格的劃分。主支架的地腳板及螺栓孔應(yīng)細分網(wǎng)格，位移機構(gòu)簡化模型應(yīng)加粗網(wǎng)格；主支架及導(dǎo)軌可使用梁單元來分析，在保證分析精度的情況下，用梁單元代替實體單元進行分析，將會明顯減少分析時間。圖4為簡化模型網(wǎng)格劃分示意圖，主支架與導(dǎo)軌四個螺栓聯(lián)接處細化了網(wǎng)格。

4 設(shè)計算例有限元分析

主支架及導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)滿足強度設(shè)計要求，變形量應(yīng)在可接受的范圍內(nèi)。影響主支架及導(dǎo)軌強度的主要因素為選用的材料及結(jié)構(gòu)尺寸，在材料選定的情況下，結(jié)構(gòu)尺寸為唯一主要因素。主支架及導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)尺寸主要包括厚度及寬度，強度一定下，厚度及寬度具有相關(guān)性，主支架及導(dǎo)軌的厚度越厚，則寬度越小，為減少設(shè)計算例的數(shù)量，僅選擇厚度作為變量參數(shù)。

主支架厚度參數(shù)設(shè)為變量1，導(dǎo)軌厚度參數(shù)設(shè)為變量2，它們的初始厚度分別為5mm和8mm。運行初始算例，可得到初始算例的對等應(yīng)力（von Mises應(yīng)力），如圖5，該分析模型最大的von Mises應(yīng)力為82.4MPa，安全系數(shù)約為7.5，即主支架及導(dǎo)軌厚度的初始值可滿足設(shè)計要求；圖6為初始算例的位移圖，該分析模型的最大位移約為1.2mm。

根據(jù)初始算例的分析，在模型上設(shè)置最大von Misses應(yīng)力傳感器，監(jiān)視該模型的最大von Misses變化。分析變量1的設(shè)計算例參數(shù)，綜合考慮運行初始算例的分析結(jié)果及分析目標，主支架的厚度選擇3mm、5mm及7 mm，導(dǎo)軌的厚度選擇4 mm、6 mm及8 mm。參數(shù)1與參數(shù)2進行組合，可得到九種設(shè)計算例方案，其中，有一種設(shè)計算例方案為初始設(shè)計算例方案。

運行設(shè)計算例，對每個設(shè)計算例方案按照相同的設(shè)置進行有限元分析，得出起吊系統(tǒng)簡化模型的分析結(jié)果，其中，各設(shè)計算例的von Misses應(yīng)力最大值如表1所示。

設(shè)計算例8為初始算例。若變量2取值一定的情況下，變量1越大，模型的von Misses應(yīng)力值越小，越安全；由表1可知，設(shè)計算例1的最大von Misses應(yīng)力值最大，即215MPa，而合金鋼的屈服強度為620MPa，安全系數(shù)約為2.9，既減少了生產(chǎn)成本，又符合設(shè)計時的強度要求，即該起吊系統(tǒng)主支架及導(dǎo)軌厚度的較佳設(shè)計參數(shù)分別為3mm和4mm。

5 結(jié)論

分析的結(jié)果可以非常直觀地反映出部件的受力情況及其薄弱部位等信息，可以作為確定起吊系統(tǒng)主支架及導(dǎo)軌厚度的依據(jù)，有助于材料的合理選用，既減少了生產(chǎn)成本，又符合設(shè)計的強度要求，保證設(shè)備運行的安全性。

參考文獻：

[1]成大先.機械設(shè)計手冊第二卷（第五版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[2]陳超祥，葉修梓.SolidWorks Simulation基礎(chǔ)教程（2010版）[M].DS SolidWorks公司著.杭州新迪數(shù)字工程有限責任公司編譯.北京：北京機械工業(yè)出版社，2010.

[3]李立順，李紅勛，孟祥德等.基于Solidworks Simulation的隨車吊吊臂整體有限元分析[J].制造業(yè)自動化，2011，33（5）：114.

作者簡介：葉青玉（1963-），女，湖北武漢人，高級講師。