基于SolidWorksSimulation的機構支座優化設計

徐宏坤

[摘要] 在現有機構基礎上增強和優化在設計工作中十分常用。本文介紹一種用于實現訓練模擬靶標起/倒動作機構的近似尺寸結構強化設計方法，用SolidWorks中Motion與Simulation模塊進行聯合仿真，對機構運動全過程中構件受力條件完成有限元分析，對構件優化展開相關研究。

關鍵詞：動力學仿真 有限元分析 simulationMotion 靶標

引言

原四連桿機構需要提高負載能力，但受空間限制無法再增大尺寸。在SolidWorks中對目標機構進行建模，使用Motion模塊按使用條件對運行全程進行仿真，并用simulation模塊對運行全程中的機構支座進行有限元分析，判斷支座受到最大載荷的時刻及數值范圍。并對優化后的機構進行詳細分析。

1. 使用聯合仿真進行運動分析與優化的意義

機構設計時需要做運動分析，以往可通過圖解或解析法對構件運動軌跡和受力進行計算。通過CAD、NX或SolidWorks等軟件進行建模，可以方便檢查機構運動的正確性。而精確的受力分析，需要通過Adams、Ansys等軟件進行有限元分析。此類軟件偏重理論分析，約束條件設置較復雜。ANSYS偏重彈性體，剛體運動分析功能比較有限，分析速度慢。Adams偏重剛體運動學和動力學分析，對彈性體的受力形變分析較弱。仿真較復雜模型時，需從其他設計軟件導入再操作，往往需要分析的設計及仿真結果并不復雜，而過程很繁瑣。

通過SolidWorks軟件的Motion與Simulation模塊進行聯合仿真，可分析運動全過程參數，并對目標構件的全程與關鍵時刻進行有限元分析。識別機構關鍵環節、關鍵時刻，對構件適時進行設計優化。優化后的設計可隨時進行仿真，檢查修改優化結果是否滿足要求。

2. 運動過程分析建模研究

現有機構通過旋轉帶動模擬人形靶標完成起/倒動作，機體內部采用四連桿實現靶標90°范圍動作，原設計支座采用鋁材質。在使用場景中，時常使用超過單人靶標尺寸的負載進行超負載工作，數次使用后部分支座發生過載斷裂現象。為適應場景需求，要求不改變主體安裝尺寸，優化設計提高機構抗負載能力。

在SolidWorks中進行建模，設定支座構件材質，原材質使用鑄鋁（代號ZL105），性能參見表1。其他零件可不精確設定材質，但要賦予正確的零件質量，以使仿真中動作發生時的受力關系符合實際情況。

機構建模并按實際運動約束裝配完成后，打開Motion模塊，創建運動算例，將機構設定在初始運行位置，賦予初始條件（圖1所示）。

設置固定約束：圖中固定約束點;

設置重力環境：9.8m/s2豎直向下（綠色箭頭）;

設置機構負載：靶標、靶標夾具產生的重力（由重力環境提供），水平方向的等效風力（藍色箭頭）;

設置機構驅動：驅動電機軸產生主動旋轉（紅色箭頭），并根據驅動過程，賦予電機輸出軸位置輸出曲線。

限定運動仿真時間，即可進行運動過程仿真。仿真結束后可進行不同倍速回運動過程。通過仿真，可以計算得到各零部件在各時刻的位置、速度/加速度、受力等數據，并可選擇形成曲線圖解（圖2左側曲線圖）。

完成運動仿真后，即可啟動Simulation模塊，根據運動仿真產生的數據，對零件在運行全過程中的受力情況進行有限元分析。在Simulation模塊中設定支座為待分析零件，設定分析時間段（或時間點），模塊可對零件自動劃分網格，做有限元分析。完成后，零件能以應力、應變、形變等不同數據圖譜形式顯示任一時刻的工況，結合運動仿真時的受力曲線圖，可方便分析零件的最大載荷位置、發生時刻等。

結果分析：通過仿真結果可知，支座在運行過程中，最大應力基本都出現在構件材料垂直連接的位置，也是易產生應力集中的位置。在機構啟動時，電機帶動主軸加速的短時間內達到最大載荷，此時段內應力已比較接近材料極限，如果機構攜帶載荷進一步增大，應力超出屈服強度，支座將在此部位失效，在鑄造工藝條件下表現為材料斷裂，與實際斷裂情況相符。

3. 設計優化與仿真驗證過程

為提高支座負載能力，改用Q235鋼材質作為主體材料，并在局部結構上增強以改善應力狀態。

參考材料密度對比，盡量不增加整體重量，將支座主體厚度初選為原設計的1/3左右，對應安裝位置尺寸沒有明顯變化，構成主體的底板下部位置設置筋條提高穩定性。同時，安裝電機輸出軸的立板因厚度減少，也依次設置筋條提高剛度和穩定性。

支座結構設計改動后，更新機構整體的裝配狀態，Motion模塊，可以重新運行仿真，得到運動和受力數據。使用Simulation模塊再次進行有限元分析，即可檢查出新設計的受力情況變化。

仿真的運動分析結果與原狀態基本不變，Simulation模塊對支座零件重新進行有限元分析，可得到以下結果：

1） 受到相同載荷條件下，最大應力位置與原零件位置一致，但應力數據均有較大下降，遠離材料屈服極限，優化設計有效;

2） 傳動機構偏置造成兩側垂直支撐板件根部所受的應力大小并不對稱，相應地可以調整底部筋條的分布和尺寸，平均化兩側應力;

3） 查看零件形變情況可以看出，兩側垂直支撐板減小了厚度，頂部因處于類似懸臂狀態，在承受負載過程中變形量較大，在不影響結構安裝的條件下，增加一條連接條，增加穩定性。

4. 優化結果

根據以上仿真分析和迭代設計優化，制作樣件并采用實際較高負載進行反復試驗，沒有再發生斷裂破壞現象，機構運行正常，完全達到使用要求。

5 結束語

以上設計過程可見，在SolidWorks中使用Motion和simulation模塊進行聯合仿真，完成全過程的有限元分析，能夠快速檢查分析結果。對結構復雜度不高的運動機構進行分析優化快速直觀，在設計迭代過程中可有效提高設計效率，是動力學設計和機構設計的簡便、高效的工具和方法。

參考文獻

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