基于COSMOSWorks的搬運小車提升梁板優化設計

黃東平

摘 要：為了使搬運小車具有良好的動態和使用性能，同時降低生產成本，節約材料，利用COSMOSWorks軟件對其主要受力部件提升梁板進行了靜態和模態分析，并以此為基礎，用提升梁板的質量為目標函數，以它的尺寸、應力以及一階固有頻率為約束條件，建立了提升梁板的優化數學模型，最后由COSMOSWorks計算出優化結果，從而實現了提升梁板的優化過程。

關鍵詞：COSMOSWorks；搬運小車提升梁板；優化設計

引言

搬運小車是現代生產過程中及現代物流輸送設備中傳送物料的很重要設備，隨著現代工業化節奏的加快，搬運小車的使用也較以前廣泛使用起來，為了適應這種變化，就要求生產廠家針對搬運小車進行相應的結構工藝尺寸等進行優化，使之既能夠滿足生產需要，又要保證方便、輕巧正常運轉的特性，所有這些都要求在設計階段應對搬運小車的動態和靜態特性，進行認真詳細地分析和研究。提升梁板是搬運小車機架中重要的受力部件，對其動態和靜態特性的設計與優化，對于整個機械系統的可靠運行起著至關重要的作用。

提升梁板優化設計按其目標函數不同可以分為：①在保持材料消耗量不超過某一限定值的前提下使最大應力達到最小，即應力優化。②在保證結構件一定可靠度的前提下，使重量達到最小，即重量優化。③在重量不超過一定值時，使可靠度最大，即可靠性優化。

1.提升梁板三維建模

在建立提升梁板三維模型時，應忽略次要因素，簡化復雜因素，抓住主要因素，采用自底而上的方式建立模型，模型如圖1所示。

2.提升梁板有限元分析

在開始優化之前，先對提升梁板有限元分析，主要是進行靜態、模態分析。

靜態分析是計算在應用載荷作用下提升梁板的位移、應變、應力和反作用力等；模態分析利用提升梁板的固有特性與外界載荷和運動狀態無關的特性，進行振動分析。通過模態分析得到提升梁板的固有頻率及振型，由此可以識別出提升梁板中存在的薄弱環節和可能被破壞區域，為結構改進提供參考依據[1] [2]，理論上提升梁板是一個具有無限多個自由度的振動系統，存在對應于固有頻率的無限多個振型（算例只取前四階，高階振型阻尼值一般較高，在振動中起的作用較小），通過有限元的計算，可得靜態位移、應力和頻率模態，分析過程如下：

劃分網格之后，通過COSMOSWorks對模型進行計算，求解出提升梁板的應力云圖合位移云圖安全系數云圖頻率計算結果（如圖3所示）：

如上圖可知，優化前合位移最大位移是0.004464mm，最大應力為57.92 MPa，第一階模態頻率為165.88Hz，最小安全系數為4.057.

3.搬運小車提升梁板有限元優化

所謂“最優設計”指的是一種方案可以滿足所有的設計要求，而且所需的支出（如質量、面積、體積、應力、費用）等最小[3]。依據提升梁板的靜力學以及模態分析結果，使其在滿足結構尺寸、應力極限和一階模態頻率要求的情況下質量最小。所以，提升梁板優化的數學模型可建立如下：求 = [ ， ， ， ]，使質量M min =（ ， ， ， ）

滿足 ， ， ， ， ， 。其中設計變量 為提升梁板中段高度， 為提升梁板低端寬度， 為提升梁板的厚度， 為提升梁板中段寬度， 為提升梁板固有頻率最低值， 為提升梁板一階固有頻率值， 為提升機電機運動頻率值， 為提升梁板最大應力值， 為Q235A材料的許用應力值， 為提升梁板最大位移值， 為提升梁板限值。

依據以上優化模型參數，經過迭代計算，最終求得提升梁板的優化后位移云圖、應力云圖、安全系數云圖及搬運小車提升梁板的初始方案和優化后的數據比較圖（如圖4）

根據數據對比看出，在滿足上述約束條件的情況下，優化方案與初始方案相比，質量減少了，提升梁板質量優化的過程，如圖9所示。

圖9提升梁板質量優化過程圖

4.結論

（1）通過過對提升梁板的有限元分析，得出安全系數過大，最大承受應力值遠小于許用應力，浪費了大量的原材料，進而得出對其優化的必要性。

（2）經過對搬運小車提升梁板的尺寸優化，降低了提升梁板的質量，雖然共振頻率有所降低，但各項指標仍在許可約束范圍內，達到了預期目標。

（3）用SoiIdWork建模，并對其材料進行定義后，可很方便地得出物體的質量、體積、重心、轉動慣性等參數，再根據實際條件定義約束和載荷后，配合與SoiIdWork無縫集成COSMOSWorks插件，進行有限元分析，可很快并真實地得出應力、變形、最小安全系數等參數，使設計者擺脫了繁瑣的校核工作，實現快速優化設計。

（4）COSMOSWorks的計算結果為搬運小車提升梁板的優化設計提供了重要的數據依據，使得提升梁板的設計更具有可靠性和穩定性，若在并行設計的環境下，運用此種設計方法，能更快地設計出符合市場所需的產品，減短生產周期和提高生產效率。

參考文獻：

[1]周傳榮.結構動態設計[J]，振動、測試與診斷，2001

[2]王學林.機床模態特性的有限分析[J].機床與液壓，2002（2）

[3]梁尚明，殷國富.現代機械優化設計方法[M].北京：化學工業出版社，2005.

[4]葉修梓.COSMOSWorks Desipnes[M].北京：機械工業出版社，2007

[5]江洪，陳燎，王智.Solidworks有限元分析實例解析[M].北京：機械工業出版社，2007