某多功能靶标安装架仿真分析与优化设计

于正亮 武晶

摘 要：某多功能靶标采用紧凑式传动布局设计，靶标安装架既要承受靶标运行时的负载转矩，同时用于靶标的安装固定，其结构强度与稳定性将决定某多功能靶标的安全性。安装架造型复杂，加工成形手段包括焊接与常用切削加工。本文采用通过Solidworks三维设计软件，建立了安装架的初台模型，针对加工成本与工艺合理性进行了优化设计，采用Solidworks Simulation对优化前后的产品在额定载荷下的应力及变形等情况进行了有限元分析，验证了优化设计的有效性与合理性。

关键词：结构强度;有限元分析;Solidworks Simulation;多功能靶标;安装架

1 产品简介

某多功能靶标设计中采用了电机通过减速器直接驱动负载（靶标）的结构布局，既能减少传动环节，又能够实现产品较小的外形尺寸和较轻的质量，有利于快速布设，灵活应用，尤其适用于需要经常变换训练场地、调整训练课题的应用单位。

结构布局中，安装架是多功能靶标的核心结构部件，既用于支撑靶标动力与传动零部件，承载靶标运行时的负载转矩，安装架内部还安装有各类位置传感器、靶夹类型识别传感器、报靶传感器等电气部件，实现靶标综合状态的检测。

安装架上部镂空，减速器固定于安装架一侧，并在镂空部分通过输出轴及平键与靶夹连接法兰相接;安装架内部及外侧安装有多功能靶标控制与感应所需的各种传感装置。某多功能靶标与安装架结构示意图如图 1所示。

根据传动布局及各机械、电气部件的安装要求，初步将安装架设计成如图 2所示的结构，共由5种零件组成，各零件之间焊接连接。

经过初样试制装配并验证，安装架整体结构功能满足要求，但在加工过程中发现以下问题：

由于件⑤造型复杂，加工工艺过程工序较复杂，导致整体制作成本偏高，对控制项目目标成本的影响较大;

件⑤和件④之间的焊接加工导致较难保证二者形位公差，并易导致件⑤内孔变形，需在焊接后二次加工。

2 优化设计

针对上述不足，需对安装架进行优化设计。考虑到产品预期产量较小（预测年产量﹤1000只），不适合使用铸造或锻造模具展开后续生产，本次优化保留依然考虑多零件焊接的结构方式。对件④和件⑤重新进行设计，将件④延伸至与件⑤上平面重合，并将件⑤厚度相应减薄。

优化前的件⑤在完成整体轮廓加工后，需要多次装夹以加工四周各长方形孔。而优化设计后的件⑤工艺加工性能得到明显改善，一次装夹后即可以完成产品整体外形加工，加工效率提升，加工成本下降明显。

优化设计后安装架产品结构如图 3所示。

3 仿真分析

利用Solidworks设计软件的Simulation 插件，对优化设计前后两个部件进行仿真分析。

根据设计输入约定，靶标预期应用工况下，携带的最大负载转矩为80N·m。仿真模型中，在件⑤右侧端面上施加80N·m转矩，在4个件①处施加固定约束后進行有限元分析，对比优化前后产品的应力、应变及位移情况如图 4所示。

优化前后安装架最大应力、应变和位移对比数据如表 1所示。

从表 1可以看出，优化设计前后安装架结构机械性能基本无变化，在额定负载条件下，整体结构的最大应力小于屈服强度，处于弹性变形范围内;结构在额定扭矩作用下最大扭曲位移量为0.15mm，对靶标整体工作无影响。

优化设计后，对该部件进行试制验证，试制过程表明：一是关键零件加工工艺得到简化;以件⑤在单轴加工中心上加工为例，优化前需要6次装夹才能完成对工件六个面的加工，而优化后则仅需二次装夹即可加工完成。二是焊接工艺得到优化。如，件④和件⑤之间焊接部位由原先的单侧长焊缝优化为周边多点均布短焊缝，焊接后变形量减小。

结语：通过对安装架结构方式进行优化设计后，和原有设计结构相比，保证了产品的结构强度，将最大应力、最大应变和最大位移均控制在了合理范围。同时提升了其加工工艺的合理性，改变了焊接方式，简化了工艺流程，单件产品成本降幅达37%，较好地实现了优化设计的目标。

参考文献：

[1] 陈永当，鲍志强，任慧娟，王钰鑫. 基于Solidworks Simulation的产品设计有限元分析[J]. 计算机技术与发展，2012年09期.

[2] 杨明亮，郎荣臻，程潞样. 基于Solidworks Simulation的桥式起重机结构CAD/CAE二次开发技术研究[J]. 起重运输机械，2016年07期.

[3] 范江峰，孙中伟，李丙尧. Solidworks Simulation在水轮机转轮模态分析中的应用[J]. 智能制造，2016年08期.

作者简介：

于正亮（1971- ），江苏人，本科，高级工程师，长期从事训练靶标靶场项目设计开发和项目管理。

（总参谋部第六十研究所，江苏 南京 210016）