基于COSMOSWorks的搬运小车提升梁板优化设计

黄东平

摘 要：为了使搬运小车具有良好的动态和使用性能，同时降低生产成本，节约材料，利用COSMOSWorks软件对其主要受力部件提升梁板进行了静态和模态分析，并以此为基础，用提升梁板的质量为目标函数，以它的尺寸、应力以及一阶固有频率为约束条件，建立了提升梁板的优化数学模型，最后由COSMOSWorks计算出优化结果，从而实现了提升梁板的优化过程。

关键词：COSMOSWorks；搬运小车提升梁板；优化设计

引言

搬运小车是现代生产过程中及现代物流输送设备中传送物料的很重要设备，随着现代工业化节奏的加快，搬运小车的使用也较以前广泛使用起来，为了适应这种变化，就要求生产厂家针对搬运小车进行相应的结构工艺尺寸等进行优化，使之既能够满足生产需要，又要保证方便、轻巧正常运转的特性，所有这些都要求在设计阶段应对搬运小车的动态和静态特性，进行认真详细地分析和研究。提升梁板是搬运小车机架中重要的受力部件，对其动态和静态特性的设计与优化，对于整个机械系统的可靠运行起着至关重要的作用。

提升梁板优化设计按其目标函数不同可以分为：①在保持材料消耗量不超过某一限定值的前提下使最大应力达到最小，即应力优化。②在保证结构件一定可靠度的前提下，使重量达到最小，即重量优化。③在重量不超过一定值时，使可靠度最大，即可靠性优化。

1.提升梁板三维建模

在建立提升梁板三维模型时，应忽略次要因素，简化复杂因素，抓住主要因素，采用自底而上的方式建立模型，模型如图1所示。

2.提升梁板有限元分析

在开始优化之前，先对提升梁板有限元分析，主要是进行静态、模态分析。

静态分析是计算在应用载荷作用下提升梁板的位移、应变、应力和反作用力等；模态分析利用提升梁板的固有特性与外界载荷和运动状态无关的特性，进行振动分析。通过模态分析得到提升梁板的固有频率及振型，由此可以识别出提升梁板中存在的薄弱环节和可能被破坏区域，为结构改进提供参考依据[1] [2]，理论上提升梁板是一个具有无限多个自由度的振动系统，存在对应于固有频率的无限多个振型（算例只取前四阶，高阶振型阻尼值一般较高，在振动中起的作用较小），通过有限元的计算，可得静态位移、应力和频率模态，分析过程如下：

划分网格之后，通过COSMOSWorks对模型进行计算，求解出提升梁板的应力云图合位移云图安全系数云图频率计算结果（如图3所示）：

如上图可知，优化前合位移最大位移是0.004464mm，最大应力为57.92 MPa，第一阶模态频率为165.88Hz，最小安全系数为4.057.

3.搬运小车提升梁板有限元优化

所谓“最优设计”指的是一种方案可以满足所有的设计要求，而且所需的支出（如质量、面积、体积、应力、费用）等最小[3]。依据提升梁板的静力学以及模态分析结果，使其在满足结构尺寸、应力极限和一阶模态频率要求的情况下质量最小。所以，提升梁板优化的数学模型可建立如下：求 = [ ， ， ， ]，使质量M min =（ ， ， ， ）

满足 ， ， ， ， ， 。其中设计变量 为提升梁板中段高度， 为提升梁板低端宽度， 为提升梁板的厚度， 为提升梁板中段宽度， 为提升梁板固有频率最低值， 为提升梁板一阶固有频率值， 为提升机电机运动频率值， 为提升梁板最大应力值， 为Q235A材料的许用应力值， 为提升梁板最大位移值， 为提升梁板限值。

依据以上优化模型参数，经过迭代计算，最终求得提升梁板的优化后位移云图、应力云图、安全系数云图及搬运小车提升梁板的初始方案和优化后的数据比较图（如图4）

根据数据对比看出，在满足上述约束条件的情况下，优化方案与初始方案相比，质量减少了，提升梁板质量优化的过程，如图9所示。

图9提升梁板质量优化过程图

4.结论

（1）通过过对提升梁板的有限元分析，得出安全系数过大，最大承受应力值远小于许用应力，浪费了大量的原材料，进而得出对其优化的必要性。

（2）经过对搬运小车提升梁板的尺寸优化，降低了提升梁板的质量，虽然共振频率有所降低，但各项指标仍在许可约束范围内，达到了预期目标。

（3）用SoiIdWork建模，并对其材料进行定义后，可很方便地得出物体的质量、体积、重心、转动惯性等参数，再根据实际条件定义约束和载荷后，配合与SoiIdWork无缝集成COSMOSWorks插件，进行有限元分析，可很快并真实地得出应力、变形、最小安全系数等参数，使设计者摆脱了繁琐的校核工作，实现快速优化设计。

（4）COSMOSWorks的计算结果为搬运小车提升梁板的优化设计提供了重要的数据依据，使得提升梁板的设计更具有可靠性和稳定性，若在并行设计的环境下，运用此种设计方法，能更快地设计出符合市场所需的产品，减短生产周期和提高生产效率。

参考文献：

[1]周传荣.结构动态设计[J]，振动、测试与诊断，2001

[2]王学林.机床模态特性的有限分析[J].机床与液压，2002（2）

[3]梁尚明，殷国富.现代机械优化设计方法[M].北京：化学工业出版社，2005.

[4]叶修梓.COSMOSWorks Desipnes[M].北京：机械工业出版社，2007

[5]江洪，陈燎，王智.Solidworks有限元分析实例解析[M].北京：机械工业出版社，2007