基于UG 的伸縮式皮帶輸送機臂架結構參數化設計

田洪清

（海軍后勤技術裝備研究所，北京 100072）

0 引言

皮帶輸送機作為連續運輸貨物的機械，在港口、礦山等行業得到廣泛的應用，伸縮式皮帶輸送機由二級輸送臂結構組成，包括鏈條傳動機構，皮帶傳送機構，以及電控系統、液壓系統等組成。設計上要求輸送臂結構緊湊，體積小，重量輕，傳動平穩。所采用的二級伸縮臂結構與傳統的單級定角度輸送臂結構相比，具有輸送范圍大，靈活機動，用占場地面積小的優點。隨著物流產業鏈的不斷發展完善，使得其應用于場合越來越廣泛，適用于礦山、機場、碼頭、倉庫等多種重要場所。因此，使用三維設計仿真分析軟件對伸縮式皮帶輸送機結構設計進行參數化設計分析，對指導相關的產品設計具有重要意義。

伸縮式皮帶輸送機臂架結構設計，其難點在于結構參數化設計，由于涉及到結構、尺寸、重量、連接等多個參數控制，以及局部應力集中等多方面因素，設計難度大，耗時長，缺少科學依據。傳統方法一般采用經驗設計法，設計過程繁瑣，參數修改后再重新校核時間長。本文通過以一款伸縮式皮帶輸送機臂架結構設計為例，提出了一種基于UG 軟件的參數化機械結構設計方法。

1 伸縮式皮帶輸送機臂架結構與參數化設計基本要求

伸縮式皮帶輸送機臂架的設計要求基本要素包括兩點，一是輸送臂整體作業長度，即基本臂與伸縮臂伸出部分的長度；二是輸送臂承載的最大載荷，在此條件下該載荷可視為均布載荷。受作業條件限制，伸縮式皮帶輸送機臂架結構全收狀態時尺寸不能超過基本臂的外廓尺寸。前基本臂和伸縮臂截面均采用C 形鋼結構。兩個平行臂架之間采用矩形橫向桿架連接，形成一個具有良好穩定性的箱形結構。基本臂與伸縮臂之間采用滑動連接方式，伸縮臂控制靠其內部設計的鏈條傳動機構來實現。其結構如圖1所示。

圖1 輸送臂基本結構圖Fig.1 Conveyer boom structure diagram

實現伸縮式皮帶輸送機臂架結構的參數化設計，就是要在滿足輸入條件的基礎上，協調輸送臂截面尺寸、整體重量以及結構強度與剛度要求之間的關系。綜上所述，伸縮式皮帶輸送機臂架結構的輸入條件與設計要求總結如下：①輸送臂的全伸展狀態總長度L1，全收攏狀態長度L2；②伸縮臂與基本臂的重疊長度Lp；③輸送臂的寬度S；④基本臂與伸縮臂之間滑動連接；⑤基本臂與伸縮臂均采用兩端C 形的結構，中間以矩形桿架結構連接；⑥臂架強度要求，即安全系數np；⑦臂架剛度要求，即最大變形量zp。

2 傳動機構三維模型建立

2.1 UG 軟件簡介

UG 做為CAD/CAM/CAE 一體化計算機輔助設計軟件，功能非常強大，廣泛地應用于機械新產品設計中。其中的高級有限元分析和仿真計算模塊在多年的發展過程中吸收和集成了世界優秀的有限元設計分析計算軟件（MSC，NASTRAN，I-DEALS，LS-DYNA 等）的眾多功能和優點，特別是它的結構分析功能具有計算精度高，運行速度快，操作界面友好的優勢，得到了國防、航天航空、車輛、船舶、機械電子等眾多行業的接受和認可。被廣泛地應用于各類設計制造行業中。在UG 中，可使用草圖功能建立基本尺寸參數驅動的截面圖樣，再按一定的參數進行拉伸或旋轉即可形成一定的結構。按此方法進行結構設計，提高了設計效率，為后續的結構分析和優化設計打下基礎。

2.2 模型建立

伸縮式皮帶機臂架的兩級臂架結構的基本臂和伸縮臂的結構均采用兩側C 形板材結構，中間連接件采用矩管管材。使用UG的基本建模功能，對基本臂、伸縮臂、連接矩形管材進行建模。各部件參數與表1所示。

基本臂和伸縮臂及連接桿建立模型如圖2所示，定義草圖截面的各個尺寸參數，按長度尺寸進行拉伸后即可生成相應的模型，在后續的參數化設計和分析過程中，只需改變相應的尺寸參數，就可以對所設計的伸縮式皮帶輸送機臂架結構進行參數化設計和仿真分析計算。

表1 輸送臂設計參數Tab. 1 Conveyer boom design parameter

圖2 輸送臂結構建模Fig.2 Conveyer boom structure modeling

3 輸送臂的參數化設計

3.1 臂架特征參數化建模

因俯仰角變化的設計需要，基本臂架上設有轉動鉸接孔和液壓油缸支撐鉸接軸，并在關鍵受力部位設有加強筋。在結構建模時，需要建立與模型尺寸相對應的參數化定位尺寸參數，如孔的定位尺寸參數等。與臂架結構的截面的參數化建模特征相對應，在進行模型參數化設計時，只需要修改主要的基本固定參數，其它的參數將隨之自動修改變化。

圖3 臂架結構參數化建模Fig.3 Conveyer boom structure parametric modeling

3.2 裝配中的參數化設計

根據設定好的參數，將基本臂和輸送臂模型在UG軟件的裝配設計模塊中進行裝配，在伸縮式皮帶輸送機臂架結構裝配參數化設計中，根據輸送臂架之間的裝配關系和尺寸關系可以看出，伸縮臂的設計參數與基本臂的設計參數之間有直接的關聯。由于臂架之間需要安裝伸縮滑動機構的要求，基本臂與伸縮臂高度以及它們寬度之間的差為一定值。在建模與裝配過程中，建立好這些設計參數的關系，在后續的設計和分析過程中，只需要改變主要的設計參數，裝配體中相應的其它參數將隨之而變化。充分地體現了現代化設計方法中參數化設計的特點。提高了設計、分析和仿真計算的效率。

3.3 輸送臂模型有限元分析與仿真計算

裝配體模型建立完成后，需要對模型進行有限元分析，對臂架結構的重量、強度和剛度進行校核，檢驗其是否滿足使用要求，并在此基礎上對參數進行調整，優化設計方案。用UG 軟件對伸縮式皮帶輸送機臂架結構進行有限元分析及仿真設計基本步驟如下：①對臂架結構進行分析前處理，簡化結構；②設定材料材質，并根據結構特點，對各零件進行有限元網格劃分，伸縮式皮帶輸送機臂架結構采用3D網格結構；③建立邊界條件，即在基本臂的兩個鉸接點處，建立旋轉結束條件，基本臂和伸縮臂之間建立滑動連接約束條件；④結構加載，根據作業工況對輸送機臂架進行仿真壓載，并按作業要求加載相應的動載，結構邊界條件和加載效果如圖4所示；⑤仿真分析，結束以上前處理后，對全部臂架結構進行仿真計算分析，計算結束后進入后處理過程，查看位移和應力分析計算結果，并輸出到相應的文件中，仿真計算的強度和剛度結果云圖如圖5所示。

圖4 輸送臂結構負荷加載仿真Fig.4 Conveyer boom structure simulation with load

圖5 輸送臂結構仿真結果Fig.5 Conveyer structure simulation result

3.4 利用分析結果，進行參數化設計

伸縮式皮帶輸送機臂架結構經過有限元分析及仿真計算，可以保證其設計的合理性，檢驗其強度、剛度等設計指標，進行結構校核。并可以進一步優化設計，提高可靠性，減輕重量。根據前述參數化設計基本方法。對基本臂的高度、寬度、材料厚度等參數進行仿真計算，根據仿真試驗結果優化設計方案。表2為其中一組仿真試驗數據經計算后的結果。

表2 輸送臂參數化結構仿真計算結果Tab.2 Conveyer parametric structure simulation calculation result

對參數化結構設計結果分析后可知，采用第二組數據參數尺寸來設計伸縮式皮帶輸送機臂架結構，能夠符合系統設計要求，設計參數得到優化。

4 結束語

本文闡述了基于UG的伸縮式皮帶機臂架結構參數化設計過程。利用該軟件對臂架結構進行建模、裝配，

并對結構進行有限元結構分析及仿真計算。得到該系統的參數設計合理可行的結論，并在此基礎上對該結構設計進行參數優化，使得設計結果更加可靠和優化。在符合設計強度和剛度條件要求的前提下，減輕重量，優化了結構設計。該參數化設計方法為懸臂結構的參數化設計提供了一種較為實用的方法和參考。

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