某托架配重工装的设计及分析

阎慧杰，许 琛，武劲松，张晓强，郭乐乐，李彦馨

(山西航天清华装备有限责任公司，山西 长治 046000)

0 引言

在机械设计过程中，要求其具备完整性和创造性。机械工装是机械产品设计和制造过程中的辅助产品，其作用是提高主体产品生产的安全可靠性，对生产工艺和品质起到必不可缺的辅助作用，因此工装也必须具备良好的力学性能和产品可靠性。工装设备可以提高劳动生产率，改善劳动生产条件。为了保证工装在设计过程中的可靠性，通常要对所设计的工装进行结构分析。

为完成某起竖托架的调试工作，本文针对某起竖托架试验所需配合设计了配重工装，使用UG8.5三维软件对配重工装进行了三维建模，将三维模型保存为固定格式，导入到有限元分析软件中，并进行网格划分，根据载荷施加的大小和方向确定模型的边界条件，最后借助有限元分析软件对模型进行强度和刚度分析，得到相应的分析云图，从而获知配重工装的最大应力值和最大变形量，以确定其是否可以满足结构的设计需求[1，2]。

1 配置工装方案设计

配重工装是为了配合起竖托架进行调试试验而设计的，在设计时应当考虑与托架的接口连接和配重放置。根据实际功能需求，配重工装主要由配重1、限位销2、螺杆3、配重支架4四部分组成，如图1所示。总共有5块配重，总质量为105 kg，配重上焊接有吊环方便吊装，配重通过3个限位销套在一起，再用4根螺杆穿过最上方配重的支耳与配重支架上的螺栓座进行栓接固定。下方配重支架安装在起竖托架上，4个角处分别焊接4个角件，用于接口定位安装，其余框架主要由矩形管焊接而成，并配焊有6个吊环，方便吊装到起竖架上。

1-配重;2-限位销;3-螺杆;4-配重支架

2 配重工装三维实体模型的建立

借助UG8.5三维软件设计出了配重的总体三维模型。其中关键部件为配重支架，如图2所示。配重支架的整体设计质量决定了配重工装能否支撑相应的配重，配重支架的可靠性至关重要，因此本文主要针对配重支架模型进行分析。

图2 配重支架三维模型

3 配重支架的有限元分析

3.1 材料选取

由于配重总质量为105 kg，为足够支撑配重，同时结合材料性能和实际应用需求，故选择Q345B作为配重支架的主体材料，该牌号材料的力学性能如表1所示[3]。

表1 Q345B的力学性能

同时为满足配重支架设计需求，结合材料性能，对于该配重支架，要求其整体变形量不大于1.5 mm。

3.2 受力分析

由于起竖托架在调试时处于静载状态，因此当配重支架安装到起竖架上时处于静止状态，配重支架受到的载荷主要来自5块均布在框架与配重接触平面的配重的重力，其所受载荷约为106N。

3.3 建立有限元模型

借助UG8.5三维软件建立好配重支架模型后，在进行有限元分析前，删掉对模型受力影响不大的零件，如吊环、螺栓座。再将模型保存为“.stp”文件格式，通过文件接口导入到有限元软件中，对配重支架模型定义相应的材料属性，然后进行自由网格划分，设定网格大小为10 mm，得到了27 013个单元和95 667个节点，从而成功构建了配重支架的有限元模型，如图3所示。

图3 配重支架有限元模型

3.4 施加边界条件

计算时，在框架下端模仿托架4个角件固定点及托架纵梁支撑的位置施加约束，在框架与配重接触的平面施加10 t载荷，约束和载荷的施加如图4所示。

图4 施加边界条件

3.5 结果分析

对配重支架进行仿真求解，得到了等效应力云图和等效变形云图，分别如图5、图6所示。从图5可以看出，配重支架的最大应力为189.54 MPa，小于所选材料的屈服强度值；从图6可以看出，配重支架的整体最大变形量约为0.26 mm，远小于规定的最大变形量。综上所述，配重支架的强度和刚度均可以满足设计需求，有良好的设计可靠性[4-6]。

图5 配重支架应力云图

图6 配重支架变形云图

4 结语

基于配重工装的方案设计，相应地建立其三维模型，在模型基础上，对关键件配重支架进行了有限元分析，通过整体分析得出，最大应力和最大变形量完全符合设计需求。

通过有限元分析可以在生产前发现结构是否合理可靠，极大地缩短了生产周期，节约了生产成本，降低了次品率，从而实现高效稳定的生产，对类似结构的设计具有一定的参考价值。