焊裝大型配電房專用翻轉機構的仿真分析

付景順，薛 羊

(沈陽工業大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870)

焊裝大型配電房專用翻轉機構的仿真分析

付景順，薛 羊

(沈陽工業大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870)

焊裝大型配電房專用翻轉機構通過液壓驅動裝置推動翻轉支架，使固定在翻轉支架上的待焊工件處于焊接最佳位置，改善焊接質量。建立并簡化大型配電房翻轉焊裝機構模型，利用ADAMS做機構運動過程仿真，導入ANSYS Workbench對機構整體和固定座、鉸鏈、液壓翻轉支架等重要零部件進行有限元分析，計算出各零部件的應力、應變。為該翻轉機構的優化設計提供了理論依據。

ANSYS Workbench；翻轉機構；ADAMS；大型配電房

0 前言

大型配電房大致外形尺寸為20 m×3 m×3 m，通常采用人工焊接，焊接順序為：底板焊接-四角立柱焊接-中間立柱方鋼焊接-薄鋼板的拼焊。在人工施焊過程中常遇到變形或質量問題，要根據具體情況對缺陷部位進行工藝調整或借助其他輔助工具進行處理，因此工作效率較低。大型配電房成品總重量重達17 t左右，長度(22 m)方向超出常規尺寸。普通的車間起重設備采用通用L型翻轉變位機構，由于其結構特點限制，在長度方向出現較大的撓度，嚴重影響后續工序質量，即造成薄鋼板無法正常拼焊，因此，傳統的車間起重設備難以保證整體翻轉過程的同步和無變形，而且在吊裝翻轉過程中，也需要消耗大量的輔助用功時間。大型配電房的焊裝翻轉機構能夠快速、高效的實現大型配電房焊裝。

該專用翻轉機構使工件焊縫處于最佳焊接位置，配合機械手焊接，以達到較為理想的焊接效果。本文通過對大型配電房焊裝翻轉機構的研究，利用ADAMS和ANSYS Workbench軟件對翻轉機構進行模擬仿真，得到固定底座、翻轉支架和活動銷軸等重要零部件的應力、應變。為機構運轉的安全性、便捷性、高效性等提供了強有力的理論保證。

1 翻轉機構及焊件模型

首先對配電房翻轉機構在UG中建立裝配體三維模型，并對模型進行簡化，研究的重點是翻轉機構的穩定性，分析靜力學時將焊件(配電房)簡化為一個長方形的剛體，導入ANSYS Workbench。主要步驟：簡化、導入模型-添加材料屬性-網格劃分-添加載荷和約束-進行有限元分析-求得所需解和云圖-比較驗證-優化現有設計。圖1為簡化前的UG模型，約為17 t(成品質量)的配電房通過七組翻轉支架支撐、固定，配電房兩端約兩米處分別設置有兩組液壓缸驅動裝置，通過液壓缸的伸縮運動配合翻轉支撐支架底部的活動軸銷的往復運動，實現工作平臺的翻轉。

圖1 UG模型Fig.1 UG model

將簡化后的配電房及翻轉機構的UG模型導入到ANSYS Workbench后，具體分析步驟：(1)工位1對整體結構分析，固定底座和翻轉支架只受配電房重力作用，產生應變和應力；(2)工位2配電房在重力作用下對翻轉支架的斜小平面與其貼合的固定底座上平面產生的應變和應力；(3)分析工位1和工位2之間位置，重要零部件的應變和應力。

七組翻轉支架和固定底座對配電房支撐定位作用。因此對翻轉支架和固定底座進行靜力學分析，得到其受到配電房重力的作用下的應力、應變。表1為所用材料的屬性。

表1 所用材料的屬性

2 整體結構分析

分析靜力學時，為了減少不必要的計算可將配電房簡化為長方體，因此在劃分網格時候，網格尺寸增大以便于后面的計算速度。相對轉動的鉸鏈連接處，固定底座和翻轉支架減小網格的尺寸并對承壓部位的網格進行人工優化，從而能夠保證計算結果的準確度。

工位1即初始工位時，靜力學分析是對固定支架的底端方鋼的橫截面固定約束，整體加載重力，然后對翻轉支架和固定底座進行應力和應變的分析，得到圖2所示總變形和最大應力。主要變形和應力集中在配電房投影在固定底座區域的方鋼上。

圖2 模型的整體應力和應變Fig.2 The model overall stress and strain

工位2在液壓缸的驅動下，固定底座和翻轉支架右端連接處鉸鏈的活動銷軸在氣缸的驅動下脫離工作位置，翻轉支架帶動固定在其上面的待焊工件繞左端的活動銷軸轉動，60 s后，翻轉支架左側達到一個翻轉支架45°的小平面，液壓缸停止伸出，并保持壓力恒定。翻轉支架對固定支架的作用力?？傻玫綉冊茍D如圖3所示。在工位2，應力和應變主要集中在翻轉支架與固定底座結合面上。

圖3 工位2模型的應力和應變 Fig.3 Stress and strain of the station 2

3 重要零部件分析

3.1 翻轉過程

靜力學主要分析了工件在工位1和工位2位置受力情況，在工位1和工位2之間涉及到的動力學，其中包括三個鉸鏈轉動副和一個液壓缸移動副的運動，對模型簡化為兩個翻轉支架和一個液壓缸驅動，一方面減少錯誤的出現，另一方面較為貼合實際工況，導入到動力學分析軟件ADAMS進行運動仿真分析，翻轉支架在液壓缸的推動下，翻轉一定角度，即工件舉升角-時間變化曲線如圖4所示。

圖4 舉升角-時間變化曲線Fig.4 Lifting angle-time curve

以右端固定座活動銷軸為翻轉中心，翻轉支架繞其翻轉45°到達工位3，重心變化曲線如圖5所示，配電房質心在縱向位置上(X軸)隨著舉升角度的增加后移；在橫向位置(Y軸)上無變化，說明質心一直處于固定支架的橫向平面中，舉升過程質心在Y軸方向無偏移；在垂向位置上(Z軸)隨著舉升角度增加在升高。整個配電房的質心位置變化符合實際情況。

圖5 重心隨時間變化曲線Fig.5 Curve of the gravity center changing with time

3.2 建立目標函數

設置點O作為坐標原點，點A(N,K)為液壓缸頂部與翻轉支架通過銷軸鏈接的中心點。點B為翻轉整體的重心，重力為G，距Y軸的距離是P，β為液壓缸軸線與Y軸的夾角，點A處所受到的力可分解為Fax和Fay。在平面力的任意力系向點O(翻轉點)簡化。如圖6所示，根據平面力系平衡方程分析翻轉結構受力圖，∑Fx=0，∑Fy=0，∑Mo(F)=0。

圖6 翻轉結構受力分析圖Fig.6 Force analysis of turnover structure

3.3 關鍵零部件進行受力分析

3.3.1 固定座

固定座通過四個螺栓固定在各個翻轉支架的兩側，翻轉過程中承載配電房的重力。承壓側面形狀與配電房底板的H型鋼的凹面基本吻合，在翻轉機架運動過程中，加緊定位的作用，同時是主要受力點，受力-時間變化曲線如圖7所示。

在初始位置固定座受力幾乎為零，隨時間的變化，液壓缸推動翻轉支架翻轉，配電房重心發生變化，其受理情況也隨之變化。如圖8所示固定座隨時間變化的應力，兩垂直面的結合處是固定座最大應力。

圖7 右端固定座側面受力隨時間變化曲線Fig.7 Force-time curve of the right holder side

圖8 右端固定座側面受力Fig.8 The right holder side stress

3.3.2 鉸鏈鏈接處相關零件

機構在做翻轉過程中，通過七組翻轉支架和固定底座之間的鉸鏈相對轉動實現，因此，鉸鏈也是研究的主要對象。工位3時，翻轉支架繞固定底座右端鉸鏈翻轉，即得到右端底座支架與翻轉支架之間鉸鏈連接受力隨時間變化曲線情況如圖9所示。

圖9 右端底座支架與翻轉支架受力隨時間變化曲線Fig.9 Force-time curve of the right base support and turning support

鉸鏈鏈接處活動銷軸在翻轉過程中始終是關鍵零件，最大應力分布圖如圖10a所示。對固定底座上面的固定座進行分析，在工位1運動至工位2過程中主要受到活動銷軸的壓力，受力部位主要位于固定座半圓的左半部分，具體應力分布如圖10b所示。

圖10 右端鉸鏈連接處零件的應力云圖Fig.10 Stress nephogram of the right hinge joint parts

3.3.3 液壓缸及翻轉支架

液壓缸伸出、推動翻轉支架實現配電房的變位，即翻轉支架與液壓缸鏈接處的鉸鏈為主要承力零部件。液壓缸與翻轉支架之間鉸鏈受力隨時間變化曲線如圖11所示。翻轉支架在初始位置所受到的力等于集裝箱重力分配在各個翻轉支架的力，隨液壓缸伸出推動翻轉支架運動，其受力隨時間變化情況呈下降趨勢。

圖11 鉸鏈受力隨時間變化曲線Fig.11 Curve hinge stress changing with time

液壓缸為翻轉機構提供動力源，將鉸鏈受力隨時間變化曲線數據導入到ANSYS軟件可到到液壓缸隨時間變化的應力圖如圖12a所示，翻轉支架在機構翻轉過程中起支撐固定作用，尤其在工位2和工位3時，45°的小平面承受到整個大型配電房力的重力作用，可能產生較大應力和應變，翻轉支架的應力分布如圖12b所示。

圖12 相關部件應力分析Fig.12 Stress analysis of hydraulic cylinder and turning support

4 結語

通過對實際配電房焊接工藝過程模型研究，設計出一套配合焊接的專用翻轉機構，便于實現自動化生產。利用UG建立三維模型，簡化、導入到動力分析軟件ADAMS中運動仿真，將模型和仿真結果利用workbench對機構進行受力分析，得到整體結構、關鍵零部件變形和應力情況，為翻轉機構的設計及優化提供了可靠的理論基礎。

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Simulation analysis of turnover mechanism for welding large power distribution room

FU Jing-shun，XUE Yang

(College of Mechanical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)

The turnover mechanism for welding large power distribution room push the turning bracket through a hydraulic driving device. It made the workpiece which fixed on the bracket located in the best welding position to improve the welding quality. This paper established and simplified the turnover welding mechanism model, and using ADAMS to simulate motion process, and finite element analyzed mechanism whole body and holder, hinge, hydraulic turning support, etc. and obtained the stress and strain of the important parts. The calculation results provide theoretical basis for optimal designing of the turnover mechanism.

ANSYS Workbench; turnover mechanism; ADAMS; large power distribution room

2015-09-07；

2015-12-03

付景順(1963-)，男，沈陽人，工學博士，沈陽工業大學機械工程學院教授，車輛工程系主任。主要研究方向：現代制造技術與精密測量，車輛安全、節能與環保技術，車輛智能檢測與故障診斷。

薛羊(1987-)，男，新鄉人，碩士研究生，機械工程，機械制造及其自動化方向。

TH137

A

1001-196X(2016)06-0086-05