基于SolidWorks設計算例起吊系統的有限元分析

摘要：實驗室自行設計的起吊系統是實現自動運輸過程的主要執行部件，其可靠性直接影響著設備的安全性。本文使用“SolidWorks Simulation”工具對起吊系統薄弱環節的主架機構進行有限元分析，采用設計算例獲取主支架及導軌厚度的較佳設計參數。

關鍵詞：有限元 SolidWorks Simulation 設計算例 起吊系統

1 分析目標

實驗室自行設計的起吊系統由位移機構及主架機構組成。位移機構用于起吊工件承載機構，并將其輸送到指定位置；主架機構用于支撐位移機構，為其提供必要的導軌、主支架等設施，采用SolidWorks建模如圖1。

起吊系統中重量載荷及沖擊載荷先傳遞到位移機構，再由位移機構將重量載荷及沖擊載荷傳遞給主架機構[1]。主架機構受到的外部載荷主要來自兩個方面，一是位移機構、工件及工件承載機構的重量載荷，二是位移機構沿導軌滑動時產生的摩擦力載荷，其中，重量載荷是主要因素。主架機構為起吊系統的薄弱環節，分析時應主要考慮主架機構的設計算例，并重點關注位移機構、工件及工件承載機構的重量載荷對其的影響。

2 簡化起吊系統模型及材料屬性

起吊系統的主架機構為最薄弱環節，應重點分析，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。設計時，先考慮了位移機構的可靠性，且強度好于主架機構，因此，對位移機構做替換性簡化，分析時將位移機構視為實體單元，并使用與位移機構等重量、等尺寸的長方體替換整個位移機構。如圖2。

2.2 應力集中的簡化處理。對起吊系統易產生應力集中的區域，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，提高了分析結果的準確性。

2.3 為主支架及導軌應用材料屬性，選擇合適的材料[3]。此次分析中，主支架及導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；對位移機構的簡化模型應用自定義材料屬性，強度與合金鋼相同，質量與整個位移機構的質量相等。

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。主支架與導軌通過螺栓聯接，分別在螺栓聯接處添加“螺栓”接頭。

3.2 設置各零部件的接觸類型。指定全局接觸類型為“接合”接觸，即位移機構簡化模型與導軌之間及導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。起吊機構簡化模型受到的主要外部載荷為工件及工件承載機構的重量載荷及位移機構沿導軌滑移時產生的摩擦力載荷，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的重量載荷，該重量載荷添加到位移機構簡化模型的底面處，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 網格的劃分。主支架的地腳板及螺栓孔應細分網格，位移機構簡化模型應加粗網格；主支架及導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為簡化模型網格劃分示意圖，主支架與導軌四個螺栓聯接處細化了網格。

4 設計算例有限元分析

主支架及導軌的結構設計，應滿足強度設計要求，變形量應在可接受的范圍內。影響主支架及導軌強度的主要因素為選用的材料及結構尺寸，在材料選定的情況下，結構尺寸為唯一主要因素。主支架及導軌的結構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性，主支架及導軌的厚度越厚，則寬度越小，為減少設計算例的數量，僅選擇厚度作為變量參數。

主支架厚度參數設為變量1，導軌厚度參數設為變量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力（von Mises應力），如圖5，該分析模型最大的von Mises應力為82.4MPa，安全系數約為7.5，即主支架及導軌厚度的初始值可滿足設計要求；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。

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

運行設計算例，對每個設計算例方案按照相同的設置進行有限元分析，得出起吊系統簡化模型的分析結果，其中，各設計算例的von Misses應力最大值如表1所示。

設計算例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應力值越小，越安全；由表1可知，設計算例1的最大von Misses應力值最大，即215MPa，而合金鋼的屈服強度為620MPa，安全系數約為2.9，既減少了生產成本，又符合設計時的強度要求，即該起吊系統主支架及導軌厚度的較佳設計參數分別為3mm和4mm。

5 結論

分析的結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主支架及導軌厚度的依據，有助于材料的合理選用，既減少了生產成本，又符合設計的強度要求，保證設備運行的安全性。

參考文獻：

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

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