基于SolidWorks设计算例起吊系统的有限元分析

摘要：实验室自行设计的起吊系统是实现自动运输过程的主要执行部件，其可靠性直接影响着设备的安全性。本文使用“SolidWorks Simulation”工具对起吊系统薄弱环节的主架机构进行有限元分析，采用设计算例获取主支架及导轨厚度的较佳设计参数。

关键词：有限元 SolidWorks Simulation 设计算例 起吊系统

1 分析目标

实验室自行设计的起吊系统由位移机构及主架机构组成。位移机构用于起吊工件承载机构，并将其输送到指定位置；主架机构用于支撑位移机构，为其提供必要的导轨、主支架等设施，采用SolidWorks建模如图1。

起吊系统中重量载荷及冲击载荷先传递到位移机构，再由位移机构将重量载荷及冲击载荷传递给主架机构[1]。主架机构受到的外部载荷主要来自两个方面，一是位移机构、工件及工件承载机构的重量载荷，二是位移机构沿导轨滑动时产生的摩擦力载荷，其中，重量载荷是主要因素。主架机构为起吊系统的薄弱环节，分析时应主要考虑主架机构的设计算例，并重点关注位移机构、工件及工件承载机构的重量载荷对其的影响。

2 简化起吊系统模型及材料属性

起吊系统的主架机构为最薄弱环节，应重点分析，对其适当简化，去除有限元分析时不必要的零部件，如螺栓、螺母、垫片等[2]。

2.1 简化位移机构。设计时，先考虑了位移机构的可靠性，且强度好于主架機构，因此，对位移机构做替换性简化，分析时将位移机构视为实体单元，并使用与位移机构等重量、等尺寸的长方体替换整个位移机构。如图2。

2.2 应力集中的简化处理。对起吊系统易产生应力集中的区域，进行圆角处理，避免尖角的存在，如图2所示。该简化处理可提高各设计算例的有限元分析速度，缩短有限元分析时间，同时，也减少了其它不必要零部件对有限元分析过程的干扰，提高了分析结果的准确性。

2.3 为主支架及导轨应用材料属性，选择合适的材料[3]。此次分析中，主支架及导轨的材料指定为合金钢，该材料的主要属性如下：屈服强度为620MPa；弹性模量为2.1×1011N/m2；抗剪模量为7.9×1010N/m2；张力强度为7.2×108N/m2；泊松比为0.28；密度为7.7×1011kg/m3；对位移机构的简化模型应用自定义材料属性，强度与合金钢相同，质量与整个位移机构的质量相等。

3 分析前处理

3.1 约束的添加。简化模型使用的约束条件有“固定几何体”约束及“螺栓”接头约束。主支架通过地脚螺栓与工作地面固定，对主支架的四个地脚板与工作地面的接触面添加“固定几何体”约束。主支架与导轨通过螺栓联接，分别在螺栓联接处添加“螺栓”接头。

3.2 设置各零部件的接触类型。指定全局接触类型为“接合”接触，即位移机构简化模型与导轨之间及导轨与主支架之间的接触类型均为“接合”接触，该零部件接触类型将接触面合并，并将整个分析对象视为一个整体。

3.3 载荷的添加。起吊机构简化模型受到的主要外部载荷为工件及工件承载机构的重量载荷及位移机构沿导轨滑移时产生的摩擦力载荷，其中，重量载荷是主要因素。本次仅添加工件及工件承载机构的重量载荷，该重量载荷添加到位移机构简化模型的底面处，施加载荷的大小及方向与工件及工件承载机构的重量载荷的大小及方向相同。图3为约束及载荷的添加示意图。

3.4 网格的划分。主支架的地脚板及螺栓孔应细分网格，位移机构简化模型应加粗网格；主支架及导轨可使用梁单元来分析，在保证分析精度的情况下，用梁单元代替实体单元进行分析，将会明显减少分析时间。图4为简化模型网格划分示意图，主支架与导轨四个螺栓联接处细化了网格。

4 设计算例有限元分析

主支架及导轨的结构设计，应满足强度设计要求，变形量应在可接受的范围内。影响主支架及导轨强度的主要因素为选用的材料及结构尺寸，在材料选定的情况下，结构尺寸为唯一主要因素。主支架及导轨的结构尺寸主要包括厚度及宽度，强度一定下，厚度及宽度具有相关性，主支架及导轨的厚度越厚，则宽度越小，为减少设计算例的数量，仅选择厚度作为变量参数。

主支架厚度参数设为变量1，导轨厚度参数设为变量2，它们的初始厚度分别为5mm和8mm。运行初始算例，可得到初始算例的对等应力（von Mises应力），如图5，该分析模型最大的von Mises应力为82.4MPa，安全系数约为7.5，即主支架及导轨厚度的初始值可满足设计要求；图6为初始算例的位移图，该分析模型的最大位移约为1.2mm。

根据初始算例的分析，在模型上设置最大von Misses应力传感器，监视该模型的最大von Misses变化。分析变量1的设计算例参数，综合考虑运行初始算例的分析结果及分析目标，主支架的厚度选择3mm、5mm及7 mm，导轨的厚度选择4 mm、6 mm及8 mm。参数1与参数2进行组合，可得到九种设计算例方案，其中，有一种设计算例方案为初始设计算例方案。

运行设计算例，对每个设计算例方案按照相同的设置进行有限元分析，得出起吊系统简化模型的分析结果，其中，各设计算例的von Misses应力最大值如表1所示。

设计算例8为初始算例。若变量2取值一定的情况下，变量1越大，模型的von Misses应力值越小，越安全；由表1可知，设计算例1的最大von Misses应力值最大，即215MPa，而合金钢的屈服强度为620MPa，安全系数约为2.9，既减少了生产成本，又符合设计时的强度要求，即该起吊系统主支架及导轨厚度的较佳设计参数分别为3mm和4mm。

5 结论

分析的结果可以非常直观地反映出部件的受力情况及其薄弱部位等信息，可以作为确定起吊系统主支架及导轨厚度的依据，有助于材料的合理选用，既减少了生产成本，又符合设计的强度要求，保证设备运行的安全性。

参考文献：

[1]成大先.机械设计手册第二卷（第五版）[M].北京：化学工业出版社，2007.

[2]陈超祥，叶修梓.SolidWorks Simulation基础教程（2010版）[M].DS SolidWorks公司著.杭州新迪数字工程有限责任公司编译.北京：北京机械工业出版社，2010.

[3]李立顺，李红勋，孟祥德等.基于Solidworks Simulation的随车吊吊臂整体有限元分析[J].制造业自动化，2011，33（5）：114.

作者简介：叶青玉（1963-），女，湖北武汉人，高级讲师。