大型筒節翻轉機基于Solidworks的虛擬樣機設計及性能仿真分析

齊謙柱 馬北一

摘 要：大型筒節翻轉機是一種用于對大型筒節進行調運、輸送、翻轉、加工等操作的設備。其主要結構由直角框架繞轉軸雙向旋轉構成，實現將大型筒節的軸線由水平方向轉成垂直方向或由垂直方向轉成水平方向的操作。由于大型筒節及翻轉機自身的重量都很大，因此其結構性能的可靠性是整個設計的重點內容。本研究主要是利用Solidworks軟件的虛擬建模及其COSMOSWorks模塊的有限元仿真分析功能高效的完成對翻轉機的概念設計，簡化整體設計過程，并對設計參數實現系列化處理。

關鍵詞：大型筒節；翻轉機；性能仿真分析；虛擬樣機設計

引言

大型筒節是一種管狀鋼材，其作用主要是通過焊接方式組合成化學材料存儲罐的罐體或者壓力容器的罐體，應用極為廣泛。本研究中所涉及的翻轉機主要是實現對直徑超過2m，重量超過百噸的大型筒節進行調運、輸送、翻轉、加工等操作的設備。

1 概念設計

本研究中設計的翻轉機所指向的大型筒節的結構參數主要包括：筒節直徑3.5m～6m；高度2m～4m；最大重量180t；動作要求是將筒節的軸線由水平方向轉為垂直方向或相反。

根據筒節的結構參數及要實現的動作要求，初步設定翻轉機機構工作原理為：翻轉臺由直角框架結構組成，其直角頂點處作為翻轉臺的轉動軸線，筒節由起吊裝置吊起并放置在翻轉臺上。翻轉臺在起吊設備的作用下開始翻轉，在0°～53°的范圍內利用起吊設備作為動力源，當轉角超過53°后利用翻轉臺及筒節的自重所產生的向下的力自由下落，并通過液壓裝置實現對下落速度的控制，使其平穩下落。翻轉機結構示意圖如圖1所示。

2 翻轉機的Solidworks三維設計

三維造型設計就是利用特征來描述產品的信息。特征（Feature）就是設計者對設計對象的形狀、結構、材質、功能、加工、裝配、檢驗、管理與使用信息及其關系等具有確切的工程含義的抽象描述[1-4]。

（1）建模步驟

首先，根據板件的形狀特征建立第一板件的模型，并將其長、寬、高三個參數作為標準參數，建立相應的參數表，簡化建模過程。非參數化零件則根據各自形狀和結構的特點依次建立三維模型。在建模同時，添加所有零件的相關參數。

然后，將所有零件模型按照對應的位置關系進行裝配。固定件之間采用放置方式進行裝配，運動機構之間采用連接方式進行裝配。以保證所有零件之間具有合理的位置關系和運動關系。

最后，利用組裝完成的裝配體模型分別進行有限元分析，從而確定整體結構的剛度、強度是否滿足設計要求，確定設備使用中的安全性。

（2）建模及裝配

根據所建模型的特點，利用“系列零件設計表”，簡化模型的生成過程。設計完成后根據需要再進行所有零部件的虛擬裝配。

組成翻轉機的裝配體主要包括三大部分：一、翻轉機的翻轉臺。其主要用于放置筒節，實現筒節軸線方向的轉變；二、翻轉機的底座。其主要作用是用于翻轉臺的固定及運動緩沖平臺；三、液壓緩沖裝置。其主要作用是減緩翻轉臺自由下落的速度，減輕沖擊力。其中翻轉臺和底座分別采用放置裝配使之具有焊接件的結構特性。而翻轉臺和底座、底座和液壓緩沖裝置、翻轉臺和液壓緩沖裝置之間則采用連接裝配，使其具有運動構件的配合關系[5-8]。

完成的裝配體如圖2所示。

3 翻轉機結構的有限元分析

根據筒節翻轉機的工作原理可知，在整個工作過程中翻轉臺會出現兩處受力最大的位置，其一是翻轉臺由靜止狀態到開始轉動的瞬間所受到的作用力，其二是翻轉臺在筒節和自身重力作用下自由下落時所產生的沖擊力。針對這兩個階段所進行的有限元仿真分析[9-12]，對翻轉機的整體設計起到了至關重要的作用。

（1） 參數設定

根據所建立的三維仿真模型，可直接得到如下參數：

總體重量為273.815t。

重心坐標點（3138.9，2379.0，0）

另外，為進行有效的模擬分析，需要添加的參數條件包括：

牽引力：2165.611N

模型材料：Q345

（2） 添加模擬分析條件

整體模擬分析過程主要包括三個步驟。首先，對建立完成的模型進行網格劃分。然后，根據工作情況添加約束和載荷。最后，進行模擬分析運算。模擬條件添加完成的模型如圖3所示，分析結果如圖4所示。

A、翻轉機變形云圖 B、翻轉機應力云圖

（3） 分析結果

從結果云圖可以確定，翻轉機的最大應力值為96.4MP，而設計中所采用的材料為Q345，該種材料的屈服極限為345MPa，許用應力為130MPa。因此，從分析結果上看，本次設計的翻轉機能夠實現最初的設計要求，設備可以安全可靠的完成對大型筒節的各項操作。

4 結束語

Solidworks模擬設計及仿真分析能力的應用，使得大型筒節翻轉機的設計可以擺脫傳統機械設計存在的弊端，使得設備樣機的加工制造可以在設計更加成熟和完善的前提下進行。對虛擬樣機進行性能仿真分析可以避免反復制造物理樣機進行測試所帶來的種種困難。同時，在進行三維虛擬建模的同時還可以生成所有設計尺寸的系統化參數統計表，這對于同類型產品的設計具有重大的參考價值，可以大大減少同類型設備設計的工作量。

參考文獻

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[12]Neel Koblitz， Introduction to Elliptic Curves and Modular Forms， Springer-Verlag， 1984.

作者簡介：齊謙柱，（1972），男，鞍山鐵塔制造總廠機械分廠，工程師，研究方向：機械加工、鑄造工藝。

馬北一，（1979），女，遼寧科技大學機械工程與自動化學院，工程師，研究方向：新型特種機械的研究與開發。