齊謙柱 馬北一

摘 要：大型筒節(jié)翻轉(zhuǎn)機(jī)是一種用于對大型筒節(jié)進(jìn)行調(diào)運、輸送、翻轉(zhuǎn)、加工等操作的設(shè)備。其主要結(jié)構(gòu)由直角框架繞轉(zhuǎn)軸雙向旋轉(zhuǎn)構(gòu)成，實現(xiàn)將大型筒節(jié)的軸線由水平方向轉(zhuǎn)成垂直方向或由垂直方向轉(zhuǎn)成水平方向的操作。由于大型筒節(jié)及翻轉(zhuǎn)機(jī)自身的重量都很大，因此其結(jié)構(gòu)性能的可靠性是整個設(shè)計的重點內(nèi)容。本研究主要是利用Solidworks軟件的虛擬建模及其COSMOSWorks模塊的有限元仿真分析功能高效的完成對翻轉(zhuǎn)機(jī)的概念設(shè)計，簡化整體設(shè)計過程，并對設(shè)計參數(shù)實現(xiàn)系列化處理。

關(guān)鍵詞：大型筒節(jié)；翻轉(zhuǎn)機(jī)；性能仿真分析；虛擬樣機(jī)設(shè)計

引言

大型筒節(jié)是一種管狀鋼材，其作用主要是通過焊接方式組合成化學(xué)材料存儲罐的罐體或者壓力容器的罐體，應(yīng)用極為廣泛。本研究中所涉及的翻轉(zhuǎn)機(jī)主要是實現(xiàn)對直徑超過2m，重量超過百噸的大型筒節(jié)進(jìn)行調(diào)運、輸送、翻轉(zhuǎn)、加工等操作的設(shè)備。

1 概念設(shè)計

本研究中設(shè)計的翻轉(zhuǎn)機(jī)所指向的大型筒節(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括：筒節(jié)直徑3.5m～6m；高度2m～4m；最大重量180t；動作要求是將筒節(jié)的軸線由水平方向轉(zhuǎn)為垂直方向或相反。

根據(jù)筒節(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù)及要實現(xiàn)的動作要求，初步設(shè)定翻轉(zhuǎn)機(jī)機(jī)構(gòu)工作原理為：翻轉(zhuǎn)臺由直角框架結(jié)構(gòu)組成，其直角頂點處作為翻轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動軸線，筒節(jié)由起吊裝置吊起并放置在翻轉(zhuǎn)臺上。翻轉(zhuǎn)臺在起吊設(shè)備的作用下開始翻轉(zhuǎn)，在0°～53°的范圍內(nèi)利用起吊設(shè)備作為動力源，當(dāng)轉(zhuǎn)角超過53°后利用翻轉(zhuǎn)臺及筒節(jié)的自重所產(chǎn)生的向下的力自由下落，并通過液壓裝置實現(xiàn)對下落速度的控制，使其平穩(wěn)下落。翻轉(zhuǎn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 翻轉(zhuǎn)機(jī)的Solidworks三維設(shè)計

三維造型設(shè)計就是利用特征來描述產(chǎn)品的信息。特征（Feature）就是設(shè)計者對設(shè)計對象的形狀、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、功能、加工、裝配、檢驗、管理與使用信息及其關(guān)系等具有確切的工程含義的抽象描述[1-4]。

（1）建模步驟

首先，根據(jù)板件的形狀特征建立第一板件的模型，并將其長、寬、高三個參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，建立相應(yīng)的參數(shù)表，簡化建模過程。非參數(shù)化零件則根據(jù)各自形狀和結(jié)構(gòu)的特點依次建立三維模型。在建模同時，添加所有零件的相關(guān)參數(shù)。

然后，將所有零件模型按照對應(yīng)的位置關(guān)系進(jìn)行裝配。固定件之間采用放置方式進(jìn)行裝配，運動機(jī)構(gòu)之間采用連接方式進(jìn)行裝配。以保證所有零件之間具有合理的位置關(guān)系和運動關(guān)系。

最后，利用組裝完成的裝配體模型分別進(jìn)行有限元分析，從而確定整體結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度是否滿足設(shè)計要求，確定設(shè)備使用中的安全性。

（2）建模及裝配

根據(jù)所建模型的特點，利用“系列零件設(shè)計表”，簡化模型的生成過程。設(shè)計完成后根據(jù)需要再進(jìn)行所有零部件的虛擬裝配。

組成翻轉(zhuǎn)機(jī)的裝配體主要包括三大部分：一、翻轉(zhuǎn)機(jī)的翻轉(zhuǎn)臺。其主要用于放置筒節(jié)，實現(xiàn)筒節(jié)軸線方向的轉(zhuǎn)變；二、翻轉(zhuǎn)機(jī)的底座。其主要作用是用于翻轉(zhuǎn)臺的固定及運動緩沖平臺；三、液壓緩沖裝置。其主要作用是減緩翻轉(zhuǎn)臺自由下落的速度，減輕沖擊力。其中翻轉(zhuǎn)臺和底座分別采用放置裝配使之具有焊接件的結(jié)構(gòu)特性。而翻轉(zhuǎn)臺和底座、底座和液壓緩沖裝置、翻轉(zhuǎn)臺和液壓緩沖裝置之間則采用連接裝配，使其具有運動構(gòu)件的配合關(guān)系[5-8]。

完成的裝配體如圖2所示。

3 翻轉(zhuǎn)機(jī)結(jié)構(gòu)的有限元分析

根據(jù)筒節(jié)翻轉(zhuǎn)機(jī)的工作原理可知，在整個工作過程中翻轉(zhuǎn)臺會出現(xiàn)兩處受力最大的位置，其一是翻轉(zhuǎn)臺由靜止?fàn)顟B(tài)到開始轉(zhuǎn)動的瞬間所受到的作用力，其二是翻轉(zhuǎn)臺在筒節(jié)和自身重力作用下自由下落時所產(chǎn)生的沖擊力。針對這兩個階段所進(jìn)行的有限元仿真分析[9-12]，對翻轉(zhuǎn)機(jī)的整體設(shè)計起到了至關(guān)重要的作用。

（1） 參數(shù)設(shè)定

根據(jù)所建立的三維仿真模型，可直接得到如下參數(shù)：

總體重量為273.815t。

重心坐標(biāo)點（3138.9，2379.0，0）

另外，為進(jìn)行有效的模擬分析，需要添加的參數(shù)條件包括：

牽引力：2165.611N

模型材料：Q345

（2） 添加模擬分析條件

整體模擬分析過程主要包括三個步驟。首先，對建立完成的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。然后，根據(jù)工作情況添加約束和載荷。最后，進(jìn)行模擬分析運算。模擬條件添加完成的模型如圖3所示，分析結(jié)果如圖4所示。

A、翻轉(zhuǎn)機(jī)變形云圖 B、翻轉(zhuǎn)機(jī)應(yīng)力云圖

（3） 分析結(jié)果

從結(jié)果云圖可以確定，翻轉(zhuǎn)機(jī)的最大應(yīng)力值為96.4MP，而設(shè)計中所采用的材料為Q345，該種材料的屈服極限為345MPa，許用應(yīng)力為130MPa。因此，從分析結(jié)果上看，本次設(shè)計的翻轉(zhuǎn)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)最初的設(shè)計要求，設(shè)備可以安全可靠的完成對大型筒節(jié)的各項操作。

4 結(jié)束語

Solidworks模擬設(shè)計及仿真分析能力的應(yīng)用，使得大型筒節(jié)翻轉(zhuǎn)機(jī)的設(shè)計可以擺脫傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計存在的弊端，使得設(shè)備樣機(jī)的加工制造可以在設(shè)計更加成熟和完善的前提下進(jìn)行。對虛擬樣機(jī)進(jìn)行性能仿真分析可以避免反復(fù)制造物理樣機(jī)進(jìn)行測試所帶來的種種困難。同時，在進(jìn)行三維虛擬建模的同時還可以生成所有設(shè)計尺寸的系統(tǒng)化參數(shù)統(tǒng)計表，這對于同類型產(chǎn)品的設(shè)計具有重大的參考價值，可以大大減少同類型設(shè)備設(shè)計的工作量。

參考文獻(xiàn)

[1]（美）Solidworks著，生信實維公司編譯. Solidworks基礎(chǔ)建模技術(shù)（上）. 北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[2]（美）Solidworks著，生信實維公司編譯. Solidworks基礎(chǔ)建模技術(shù)（下）. 北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[3]殷國富，陳永華著.計算機(jī)輔助設(shè)計與應(yīng)用.北京：科學(xué)出版社，2000.

[4]袁明貴. 基于Solidworks的電動執(zhí)行器的虛擬設(shè)計. 四川大學(xué)碩士學(xué)位論文， 2003.4.18.

[5]賈寶賢. Solidworks在工業(yè)造型設(shè)計中的應(yīng)用. 機(jī)械設(shè)計與制造， 2003，（4）：116～117.

[6]寧朝陽. Solidworks軟件在機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用. 現(xiàn)代機(jī)械， 2007（2）：43～44，46.

[7]趙汝嘉. Solidworks2001精通與提高篇. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[8]秦慧斌，王宗彥，侯志利著. Solidworks應(yīng)用技巧. 數(shù)字化設(shè)計：36～49.

[9]劉國良，劉洛麒著. Solidworks2009完全學(xué)習(xí)手冊-圖解COSMOSWorks. 北京：電子工業(yè)出版社，2006.8.

[10]Wolfgang Rankl. Wolfgang Effling， Handbuch der Chipkarten 3. Auflage， Publishing House of Electronics Industry. 2002.

[11]William Stallings. Cryptography and Network Sectruity. Publishing House of Electronics Industry. 2004.

[12]Neel Koblitz， Introduction to Elliptic Curves and Modular Forms， Springer-Verlag， 1984.

作者簡介：齊謙柱，（1972），男，鞍山鐵塔制造總廠機(jī)械分廠，工程師，研究方向：機(jī)械加工、鑄造工藝。

馬北一，（1979），女，遼寧科技大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，工程師，研究方向：新型特種機(jī)械的研究與開發(fā)。