馮 林，王 巖，趙小兵

(92228部隊，北京 100072)

0 引言

虛擬樣機技術(shù)是隨著計算機的發(fā)展而興起的一項計算機輔助工程技術(shù)，它能反映出產(chǎn)品的真實特性，包括外觀、運動學和動力學特性等[1]。虛擬樣機設(shè)計能夠有效提高設(shè)計效率，縮短設(shè)計周期，因而在航空航天、武器制造、工程機械等各領(lǐng)域得到廣泛應用。SolidWorks是一款三維CAD設(shè)計分析軟件，借助其可以進行虛擬樣機設(shè)計，并完成一系列數(shù)值仿真分析等工作[2]。

輸送機是在一定的輸送線路上輸送物資的搬運機械設(shè)備[3]，輸送機按作業(yè)方向可分為垂直輸送機、水平輸送機和傾斜輸送機；按作業(yè)循環(huán)方式又可分為往復式輸送機和連續(xù)式輸送機。連續(xù)式輸送機特點在于能以連續(xù)的流動方式提升和傳送成件物品，可單向或雙向運動，包括：斗式提升機、搖架式提升機、托架式提升機、板式輸送機等。往復式輸送機的特點在于能以重復間斷的工作循環(huán)方式來升降傳送和移動成件的物品，包括人力滑車、人力/電動絞車、載貨電梯、桁架式升降機等。在實際應用中輸送機可以和其他輸送設(shè)備組成綜合輸送系統(tǒng)，以滿足特定的輸送需求。某型輸送機為滿足特定輸送需求的綜合輸送系統(tǒng)的關(guān)鍵組成設(shè)備，作為垂直往復式輸送機，設(shè)計要求體積小、重量輕、承載力大、展開撤收方便，良好的機體結(jié)構(gòu)設(shè)計是實現(xiàn)設(shè)計要求的關(guān)鍵。為此，本文基于SolidWorks開展了輸送機的虛擬樣機設(shè)計，并采用SolidWorks Simulation對機架體所受應力和變形進行有限元分析。

1 基于SolidWorks建立輸送機三維模型

1.1 基于SolidWorks的建模流程

SolidWorks是在Parasolid圖形語言平臺上開發(fā)的一款基于特征進行參數(shù)化實體建模設(shè)計的三維CAD工具軟件[4],其建模方法有“自底向上”和“自頂向下”兩種。針對輸送機的設(shè)計，這里采用了“自底向上”的建模方式，其建模流程如圖1所示。

首先，使用草圖繪制功能建立零部件草圖；而后，利用特征生成功能，綜合運用拉伸、旋轉(zhuǎn)等手段建立零部件三維模型；接下來，按照同軸、共面等幾何約束關(guān)系將各零部件裝配成各組件；最后將各組件裝配成整機，并根據(jù)仿真分析的需要對虛擬樣機進行調(diào)整，建立仿真模型。

圖1 “自底向上”的建模流程

1.2 基于SolidWorks的虛擬樣機

按照上述建模流程，建立了輸送機的虛擬樣機，如圖2所示。輸送機主要由輸送系統(tǒng)、機架體、附件工具等組成，其中，機架體是輸送機主體結(jié)構(gòu)，其主要由下機架體和上支架兩大部分組成，下機架體由底座和下立柱組成，上支架又由上立柱與吊臂組成。

1.3 基于SolidWorks的輸送機機架體仿真模型

建立虛擬樣機為后續(xù)工程出圖、零部件加工制造、部件組裝提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，在此基礎(chǔ)上，還可以進行一系列數(shù)值分析。由于輸送機機架體是輸送機結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心，其強度分析對整機的方案論證、結(jié)構(gòu)優(yōu)化尤為重要。但此時的三維虛擬樣機模型包含了輸送機實物成型后幾乎所有的細節(jié)，這給后續(xù)仿真分析帶來了困難，有可能出現(xiàn)以下問題：網(wǎng)格劃分尺寸比值過大，影響有限元計算精度；網(wǎng)絡在模型上劃分失??；有限元分析無法完成等[5]。為此，還需要對虛擬樣機進行結(jié)構(gòu)簡化，忽略對有限元分析影響極小的造型細節(jié)，如凸臺、倒角、圓角等。由此建立的輸送機機架體仿真模型如圖3所示。

2 基于SolidWorks Simulation的輸送機機架體有限元分析

輸送機運行過程中承受著拉、壓、沖擊等多種交變載荷作用，受力狀態(tài)復雜，采用常規(guī)的力學分析方法計算其強度費時費力，計算精度較難保證。隨著計算機技術(shù)和計算方法的發(fā)展，許多復雜工程問題可以采用離散化的數(shù)值計算方法，并借助計算機求解從而得到滿足實際要求的數(shù)值解[6]。當前，有限元分析法是工程設(shè)計領(lǐng)域應用最多的數(shù)值模擬計算方法之一[7]。在這里，為了增強分析的速度和精度，提高計算效率，采用SolidWorks Simulation的有限元分析功能進行機架體應力和變形分析。

圖2輸送機虛擬樣機圖3輸送機機架體仿真模型

2.1 模型的約束與受力分析

機架體主要受力為機架體自帶設(shè)備的重量和所承載貨物的重量之和。在對模型分析過程中，按照實際使用中的受力情況對模型進行了約束和加載。如圖4所示，機架體自帶設(shè)備的重量按均布載荷作用于模型主臂上，所承載貨物的重量按集中載荷作用于主臂前端。如圖5所示，約束位置設(shè)定為底座兩實際系固點位。

2.2 模型的材質(zhì)與網(wǎng)格劃分

關(guān)于模型材質(zhì)的設(shè)定，通常有兩種方式:一種是從SoildWorks的材料庫中選取，另一種是通過用戶自定義的方式來完成。本輸送機機架體模型材料設(shè)定為鋁合金6061，可直接從材料庫中選取。其參數(shù)如下：鋁合金6061各向同性，彈性模量E=69 GPa，泊松比γ=0.33，密度ρ=2 700 kg/m3。鑒于輸送機機架體結(jié)構(gòu)的復雜性，這里采用SolidWorks Simulation中網(wǎng)格智能劃分方法進行網(wǎng)格劃分[8]。為提高分析速度，減少單元數(shù)量，選用了高品質(zhì)單元，經(jīng)網(wǎng)絡劃分，其節(jié)點總數(shù)為38 889，單元數(shù)為19 213，如圖6所示。

2.3 模型的有限元分析

仿真模型導入SolidWorks Simulation，并完成上述設(shè)置后，便啟動有限元分析。經(jīng)分析計算得到的機架體模型變形云圖和應力云圖如圖7和圖8所示。

由圖7可知，模型最大位移變形量約為11.8 mm，滿足最大位移變形量小于15 mm的設(shè)計要求。由圖8可知，最大應力約為60.04 MPa，但該應力集中部位位于固定銷軸和旋轉(zhuǎn)銷軸上，由于銷軸為45鋼材質(zhì)，屈服強度為355 MPa，亦滿足強度要求。

綜上所述，基于仿真分析模型，加載載荷、約束、材質(zhì)等邊界條件后，經(jīng)有限元計算求解后，不僅可以獲得變形云圖和應力分布云圖，還能清晰地判斷最大變形及最大應力所在的部位及具體數(shù)值，從而找到危險結(jié)構(gòu)部位和結(jié)構(gòu)強度較為薄弱的部位，為輸送機機架體的設(shè)計驗證和優(yōu)化改進提供了可靠的技術(shù)手段。

圖4模型載荷作用圖5模型約束位置圖6模型網(wǎng)格劃分

圖7機架體模型變形云圖圖8機架體模型應力云圖

3 結(jié)語

本文基于SolidWorks的三維設(shè)計和有限元分析功能，實現(xiàn)了輸送機的虛擬設(shè)計及輸送機架體的應力和變形分析。通過輸送機虛擬設(shè)計，可以較好地發(fā)現(xiàn)和提早解決結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝、裝配工藝等方面的問題。有限元分析相對于傳統(tǒng)的力學解析法，可以比較精確地直觀地發(fā)現(xiàn)和掌握各點的受力情況以及變形等情況，從而提高校核分析的精度和效率，亦為后續(xù)優(yōu)化改進提供了基礎(chǔ)。上述研究為輸送機方案論證提供了必要的技術(shù)支撐。