蔣偉++劉曉貴++陳民

摘 要：升降系統(tǒng)是整個(gè)平臺(tái)的重要?jiǎng)恿敵鰴C(jī)構(gòu)，升降系統(tǒng)能否正常正確的運(yùn)行直接關(guān)系到整個(gè)平臺(tái)的工作可靠性。該文針對(duì)升降系統(tǒng)中懸臂箱體在設(shè)計(jì)過程中存在的問題，建立該懸臂箱體的實(shí)體模型，采用有限元法分析壁厚為12mm的箱體在實(shí)際工況下的受力特性，并以此為依據(jù)完成箱體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，獲得壁厚是8mm的箱體應(yīng)力、應(yīng)變分布圖。本分析為該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持，并已經(jīng)被生產(chǎn)實(shí)踐所采納。

關(guān)鍵詞：懸臂箱體 有限元法 受力特性 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）03（c）-0060-02

隨著世界各國(guó)對(duì)能源的需求日益增加，海洋工程裝備，特別是鉆井平臺(tái)的市場(chǎng)需求前景非常廣闊，升降系統(tǒng)是海洋工程關(guān)鍵配套件之一，是整個(gè)平臺(tái)工作的重要?jiǎng)恿敵鰴C(jī)構(gòu)，升降系統(tǒng)能否正常正確的運(yùn)行直接關(guān)系到整個(gè)平臺(tái)的工作可靠性。

ABAQUS是一款優(yōu)秀的大型通用有限元分析軟件，能與多款CAD造型軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，在一般工業(yè)和科學(xué)研究中，得到廣泛應(yīng)用[1-4]。ABAQUS的建模能力不強(qiáng)，在建立復(fù)雜的三維實(shí)體模型時(shí)，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力。SolidWorks作為當(dāng)今的主流CAD/CAM軟件，在三維造型領(lǐng)域占有重要地位。該文利用SolidWorks強(qiáng)大的三維建模功能建立升降系統(tǒng)懸臂箱體的實(shí)體模型，通過SolidWorks和ABAQUS軟件的數(shù)據(jù)接口把SolidWorks中的三維實(shí)體模型導(dǎo)入到ABAQUS中，再進(jìn)行劃分網(wǎng)格、創(chuàng)建邊界條件和施加載荷并完成有限元分析，此方法可以大大縮減建模所需的時(shí)間，提高分析和計(jì)算效率。

1 箱體有限元模型的建立

1.1 數(shù)學(xué)模型的建立

用有限元法求解彈性力學(xué)空間問題，先將所研究的彈性體分割為一系列的單元體，這些單元體可以是四面體、長(zhǎng)方體、立方體、任意形狀的六面體等，然后進(jìn)行單元分析，并據(jù)此列出單元的勢(shì)能泛函[5]：

取線性位移模式，即把單元中的位移分量取為坐標(biāo)x，y，z的線性函數(shù)：

參數(shù)常應(yīng)變?nèi)切螁卧治觯梢娛剑?）中的常數(shù)，，代表剛性位移；，，代表常量正應(yīng)變；其余6個(gè)系數(shù)則反映了剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，即：

和常量剪應(yīng)變，即：

也就是說，12個(gè)系數(shù)充分反映了單元的剛體位移和常量應(yīng)變。

1.2 有限元模型的建立

由于有限元分析軟件ABAQUS的實(shí)體建模能力不夠強(qiáng)大，對(duì)于不規(guī)則結(jié)構(gòu)的物體更是很難建模，但是ABAQUS支持多種軟件的數(shù)據(jù)傳遞和共享，這在一定程度上彌補(bǔ)了建模能力不強(qiáng)的弱點(diǎn)。

該文利用SolidWorks和ABAQUS相結(jié)合的方法研究某大型升降系統(tǒng)的懸臂箱體受力特性分析，運(yùn)用SolidWorks建立升降系統(tǒng)懸臂箱體的實(shí)體模型，通過SolidWorks和ABAQUS軟件的數(shù)據(jù)接口把三維實(shí)體模型導(dǎo)入到ABAQUS中，再進(jìn)行劃分網(wǎng)格、創(chuàng)建邊界條件和施加載荷并完成有限元分析。

2 有限元分析

根據(jù)該平臺(tái)升降系統(tǒng)懸臂箱體的實(shí)際工況條件，設(shè)置正確合理的邊界條件和載荷施加后，即可進(jìn)行有限元分析求解，獲得該平臺(tái)升降系統(tǒng)懸臂箱體的受力特性分布。

ABAQUS/CAE具有強(qiáng)大的后處理功能，能夠很好的完成升降系統(tǒng)懸臂箱體的分析求解。提交分析JOB后的數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果可在后處理模塊Visualization中得到直觀的變化云圖。圖1和圖2分別是懸臂箱體壁厚為12 mm的應(yīng)力和應(yīng)變分布云圖。

由圖1可知，壁厚為12 mm的懸臂箱體應(yīng)力最大值出現(xiàn)在靠近升降系統(tǒng)的箱體上表面，位于電機(jī)輸入端的箱體側(cè)板與軸承法蘭板的結(jié)合處。由于懸臂箱體的外側(cè)還要懸掛一個(gè)動(dòng)力輸入電機(jī)，在升降系統(tǒng)工作過程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)懸臂減速箱中的齒輪嚙合傳遞轉(zhuǎn)矩，通過懸臂減速箱的輸出軸把動(dòng)力傳遞給升降系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的上升和下降。在轉(zhuǎn)矩的傳遞過程中，懸臂箱體不僅承受軸承的壓力，同時(shí)受到電機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩和自身重量的疊加作用。通過以上分析可以，壁厚為12 mm的懸臂箱體應(yīng)力分布圖與理論分析相一致，應(yīng)力最大值為51.69 MPa。

圖2是壁厚為12 mm的懸臂箱體應(yīng)變分布圖，從圖中可以看出懸臂箱體在電機(jī)及自身重量的作用下，最大應(yīng)變位置發(fā)生在電機(jī)輸入端處，和實(shí)際結(jié)果相符，應(yīng)變最大值是0.0782 mm。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于該項(xiàng)目的懸臂箱體材料為Q235，壁厚為12 mm的最大應(yīng)力值為51.69 MPa、最大應(yīng)變值為0.0782 mm，最大應(yīng)力值小于箱體材料的屈服強(qiáng)度，最大變形量小于設(shè)計(jì)允許的最大變形量。根據(jù)以上分析結(jié)果，為了優(yōu)化設(shè)計(jì)，將懸臂箱體的壁厚由原來(lái)的12 mm減少到8 mm，重新創(chuàng)建模型，添加邊界條件和載荷，分析得到箱體壁厚為8 mm的應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖如圖3和圖4所示。

從圖3和圖4可以看出，懸臂箱體的壁厚由12 mm減少為8 mm后，箱體的最大應(yīng)力和應(yīng)變位置沒有發(fā)生變化，但最大應(yīng)力值從51.69 MPa增大到68.79 MPa，最大應(yīng)變值由0.0782 mm增大到0.0996 mm，這是由于箱體的壁厚減少引起的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)龃蟮慕Y(jié)果。從以上的分析結(jié)果可以看出，懸臂箱體的壁厚減少了4 mm導(dǎo)致箱體的最大應(yīng)力值和最大應(yīng)變值都增大，但增大后的應(yīng)力、應(yīng)變值仍然在機(jī)構(gòu)的允許變化范圍內(nèi)，該分析結(jié)果已被項(xiàng)目采納。

4 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用三維實(shí)體建模軟件SolidWorks建立某平臺(tái)升降系統(tǒng)懸臂箱體的實(shí)體模型，并通過轉(zhuǎn)換接口導(dǎo)入到有限元分析軟件ABAQUS中，通過設(shè)置合理的邊界條件和載荷類型，完成該升降系統(tǒng)懸臂箱體的有限元仿真分析，得到箱體的應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖。由懸臂箱體分析可知，壁厚是12 mm的懸臂箱體最大應(yīng)力和最大應(yīng)變值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用值，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)把壁厚改為8 mm。從有限元分析結(jié)果可知，壁厚為8 mm的升降系統(tǒng)懸臂箱體是可以滿足項(xiàng)目需要的，該優(yōu)化方案已經(jīng)被生產(chǎn)實(shí)踐所采納。

運(yùn)用SolidWorks和ABAQUS軟件相結(jié)合的方法來(lái)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和分析，可以省去制造物理樣機(jī)，避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的局限性，大大縮短了新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，提高了工作效率，節(jié)約了大量的人力和物力。該文可以為類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供一種嶄新的設(shè)計(jì)方法，并具有一定的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] Hidaka，Yoshioetal. Analysis of Dynamic Tooth Load on Planetary Gear [J]. Bulletin of the JSME，1980，23 （176）：315-323.

[2] 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[3] 柳忠良，陳剛.低速重載行星齒輪傳動(dòng)嚙合特性分析[J].裝備制造技術(shù)，2012（8）：27-30.

[4] 鐘明，柳忠良.基于有限元的平臺(tái)升降系統(tǒng)接觸特性研究[J].中國(guó)水運(yùn)，2012（12）：77-79.

[5] 畢繼紅，王輝.工程彈塑性力學(xué)[M].天津：天津大學(xué)出版社，2003.endprint

摘 要：升降系統(tǒng)是整個(gè)平臺(tái)的重要?jiǎng)恿敵鰴C(jī)構(gòu)，升降系統(tǒng)能否正常正確的運(yùn)行直接關(guān)系到整個(gè)平臺(tái)的工作可靠性。該文針對(duì)升降系統(tǒng)中懸臂箱體在設(shè)計(jì)過程中存在的問題，建立該懸臂箱體的實(shí)體模型，采用有限元法分析壁厚為12mm的箱體在實(shí)際工況下的受力特性，并以此為依據(jù)完成箱體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，獲得壁厚是8mm的箱體應(yīng)力、應(yīng)變分布圖。本分析為該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持，并已經(jīng)被生產(chǎn)實(shí)踐所采納。

關(guān)鍵詞：懸臂箱體 有限元法 受力特性 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）03（c）-0060-02

隨著世界各國(guó)對(duì)能源的需求日益增加，海洋工程裝備，特別是鉆井平臺(tái)的市場(chǎng)需求前景非常廣闊，升降系統(tǒng)是海洋工程關(guān)鍵配套件之一，是整個(gè)平臺(tái)工作的重要?jiǎng)恿敵鰴C(jī)構(gòu)，升降系統(tǒng)能否正常正確的運(yùn)行直接關(guān)系到整個(gè)平臺(tái)的工作可靠性。

ABAQUS是一款優(yōu)秀的大型通用有限元分析軟件，能與多款CAD造型軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，在一般工業(yè)和科學(xué)研究中，得到廣泛應(yīng)用[1-4]。ABAQUS的建模能力不強(qiáng)，在建立復(fù)雜的三維實(shí)體模型時(shí)，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力。SolidWorks作為當(dāng)今的主流CAD/CAM軟件，在三維造型領(lǐng)域占有重要地位。該文利用SolidWorks強(qiáng)大的三維建模功能建立升降系統(tǒng)懸臂箱體的實(shí)體模型，通過SolidWorks和ABAQUS軟件的數(shù)據(jù)接口把SolidWorks中的三維實(shí)體模型導(dǎo)入到ABAQUS中，再進(jìn)行劃分網(wǎng)格、創(chuàng)建邊界條件和施加載荷并完成有限元分析，此方法可以大大縮減建模所需的時(shí)間，提高分析和計(jì)算效率。

1 箱體有限元模型的建立

1.1 數(shù)學(xué)模型的建立

用有限元法求解彈性力學(xué)空間問題，先將所研究的彈性體分割為一系列的單元體，這些單元體可以是四面體、長(zhǎng)方體、立方體、任意形狀的六面體等，然后進(jìn)行單元分析，并據(jù)此列出單元的勢(shì)能泛函[5]：

取線性位移模式，即把單元中的位移分量取為坐標(biāo)x，y，z的線性函數(shù)：

參數(shù)常應(yīng)變?nèi)切螁卧治觯梢娛剑?）中的常數(shù)，，代表剛性位移；，，代表常量正應(yīng)變；其余6個(gè)系數(shù)則反映了剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，即：

和常量剪應(yīng)變，即：

也就是說，12個(gè)系數(shù)充分反映了單元的剛體位移和常量應(yīng)變。

1.2 有限元模型的建立

由于有限元分析軟件ABAQUS的實(shí)體建模能力不夠強(qiáng)大，對(duì)于不規(guī)則結(jié)構(gòu)的物體更是很難建模，但是ABAQUS支持多種軟件的數(shù)據(jù)傳遞和共享，這在一定程度上彌補(bǔ)了建模能力不強(qiáng)的弱點(diǎn)。

該文利用SolidWorks和ABAQUS相結(jié)合的方法研究某大型升降系統(tǒng)的懸臂箱體受力特性分析，運(yùn)用SolidWorks建立升降系統(tǒng)懸臂箱體的實(shí)體模型，通過SolidWorks和ABAQUS軟件的數(shù)據(jù)接口把三維實(shí)體模型導(dǎo)入到ABAQUS中，再進(jìn)行劃分網(wǎng)格、創(chuàng)建邊界條件和施加載荷并完成有限元分析。

2 有限元分析

根據(jù)該平臺(tái)升降系統(tǒng)懸臂箱體的實(shí)際工況條件，設(shè)置正確合理的邊界條件和載荷施加后，即可進(jìn)行有限元分析求解，獲得該平臺(tái)升降系統(tǒng)懸臂箱體的受力特性分布。

ABAQUS/CAE具有強(qiáng)大的后處理功能，能夠很好的完成升降系統(tǒng)懸臂箱體的分析求解。提交分析JOB后的數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果可在后處理模塊Visualization中得到直觀的變化云圖。圖1和圖2分別是懸臂箱體壁厚為12 mm的應(yīng)力和應(yīng)變分布云圖。

由圖1可知，壁厚為12 mm的懸臂箱體應(yīng)力最大值出現(xiàn)在靠近升降系統(tǒng)的箱體上表面，位于電機(jī)輸入端的箱體側(cè)板與軸承法蘭板的結(jié)合處。由于懸臂箱體的外側(cè)還要懸掛一個(gè)動(dòng)力輸入電機(jī)，在升降系統(tǒng)工作過程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)懸臂減速箱中的齒輪嚙合傳遞轉(zhuǎn)矩，通過懸臂減速箱的輸出軸把動(dòng)力傳遞給升降系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的上升和下降。在轉(zhuǎn)矩的傳遞過程中，懸臂箱體不僅承受軸承的壓力，同時(shí)受到電機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩和自身重量的疊加作用。通過以上分析可以，壁厚為12 mm的懸臂箱體應(yīng)力分布圖與理論分析相一致，應(yīng)力最大值為51.69 MPa。

圖2是壁厚為12 mm的懸臂箱體應(yīng)變分布圖，從圖中可以看出懸臂箱體在電機(jī)及自身重量的作用下，最大應(yīng)變位置發(fā)生在電機(jī)輸入端處，和實(shí)際結(jié)果相符，應(yīng)變最大值是0.0782 mm。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于該項(xiàng)目的懸臂箱體材料為Q235，壁厚為12 mm的最大應(yīng)力值為51.69 MPa、最大應(yīng)變值為0.0782 mm，最大應(yīng)力值小于箱體材料的屈服強(qiáng)度，最大變形量小于設(shè)計(jì)允許的最大變形量。根據(jù)以上分析結(jié)果，為了優(yōu)化設(shè)計(jì)，將懸臂箱體的壁厚由原來(lái)的12 mm減少到8 mm，重新創(chuàng)建模型，添加邊界條件和載荷，分析得到箱體壁厚為8 mm的應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖如圖3和圖4所示。

從圖3和圖4可以看出，懸臂箱體的壁厚由12 mm減少為8 mm后，箱體的最大應(yīng)力和應(yīng)變位置沒有發(fā)生變化，但最大應(yīng)力值從51.69 MPa增大到68.79 MPa，最大應(yīng)變值由0.0782 mm增大到0.0996 mm，這是由于箱體的壁厚減少引起的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)龃蟮慕Y(jié)果。從以上的分析結(jié)果可以看出，懸臂箱體的壁厚減少了4 mm導(dǎo)致箱體的最大應(yīng)力值和最大應(yīng)變值都增大，但增大后的應(yīng)力、應(yīng)變值仍然在機(jī)構(gòu)的允許變化范圍內(nèi)，該分析結(jié)果已被項(xiàng)目采納。

4 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用三維實(shí)體建模軟件SolidWorks建立某平臺(tái)升降系統(tǒng)懸臂箱體的實(shí)體模型，并通過轉(zhuǎn)換接口導(dǎo)入到有限元分析軟件ABAQUS中，通過設(shè)置合理的邊界條件和載荷類型，完成該升降系統(tǒng)懸臂箱體的有限元仿真分析，得到箱體的應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖。由懸臂箱體分析可知，壁厚是12 mm的懸臂箱體最大應(yīng)力和最大應(yīng)變值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用值，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)把壁厚改為8 mm。從有限元分析結(jié)果可知，壁厚為8 mm的升降系統(tǒng)懸臂箱體是可以滿足項(xiàng)目需要的，該優(yōu)化方案已經(jīng)被生產(chǎn)實(shí)踐所采納。

運(yùn)用SolidWorks和ABAQUS軟件相結(jié)合的方法來(lái)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和分析，可以省去制造物理樣機(jī)，避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的局限性，大大縮短了新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，提高了工作效率，節(jié)約了大量的人力和物力。該文可以為類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供一種嶄新的設(shè)計(jì)方法，并具有一定的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] Hidaka，Yoshioetal. Analysis of Dynamic Tooth Load on Planetary Gear [J]. Bulletin of the JSME，1980，23 （176）：315-323.

[2] 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[3] 柳忠良，陳剛.低速重載行星齒輪傳動(dòng)嚙合特性分析[J].裝備制造技術(shù)，2012（8）：27-30.

[4] 鐘明，柳忠良.基于有限元的平臺(tái)升降系統(tǒng)接觸特性研究[J].中國(guó)水運(yùn)，2012（12）：77-79.

[5] 畢繼紅，王輝.工程彈塑性力學(xué)[M].天津：天津大學(xué)出版社，2003.endprint

摘 要：升降系統(tǒng)是整個(gè)平臺(tái)的重要?jiǎng)恿敵鰴C(jī)構(gòu)，升降系統(tǒng)能否正常正確的運(yùn)行直接關(guān)系到整個(gè)平臺(tái)的工作可靠性。該文針對(duì)升降系統(tǒng)中懸臂箱體在設(shè)計(jì)過程中存在的問題，建立該懸臂箱體的實(shí)體模型，采用有限元法分析壁厚為12mm的箱體在實(shí)際工況下的受力特性，并以此為依據(jù)完成箱體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，獲得壁厚是8mm的箱體應(yīng)力、應(yīng)變分布圖。本分析為該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持，并已經(jīng)被生產(chǎn)實(shí)踐所采納。

關(guān)鍵詞：懸臂箱體 有限元法 受力特性 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）03（c）-0060-02

隨著世界各國(guó)對(duì)能源的需求日益增加，海洋工程裝備，特別是鉆井平臺(tái)的市場(chǎng)需求前景非常廣闊，升降系統(tǒng)是海洋工程關(guān)鍵配套件之一，是整個(gè)平臺(tái)工作的重要?jiǎng)恿敵鰴C(jī)構(gòu)，升降系統(tǒng)能否正常正確的運(yùn)行直接關(guān)系到整個(gè)平臺(tái)的工作可靠性。

ABAQUS是一款優(yōu)秀的大型通用有限元分析軟件，能與多款CAD造型軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，在一般工業(yè)和科學(xué)研究中，得到廣泛應(yīng)用[1-4]。ABAQUS的建模能力不強(qiáng)，在建立復(fù)雜的三維實(shí)體模型時(shí)，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力。SolidWorks作為當(dāng)今的主流CAD/CAM軟件，在三維造型領(lǐng)域占有重要地位。該文利用SolidWorks強(qiáng)大的三維建模功能建立升降系統(tǒng)懸臂箱體的實(shí)體模型，通過SolidWorks和ABAQUS軟件的數(shù)據(jù)接口把SolidWorks中的三維實(shí)體模型導(dǎo)入到ABAQUS中，再進(jìn)行劃分網(wǎng)格、創(chuàng)建邊界條件和施加載荷并完成有限元分析，此方法可以大大縮減建模所需的時(shí)間，提高分析和計(jì)算效率。

1 箱體有限元模型的建立

1.1 數(shù)學(xué)模型的建立

用有限元法求解彈性力學(xué)空間問題，先將所研究的彈性體分割為一系列的單元體，這些單元體可以是四面體、長(zhǎng)方體、立方體、任意形狀的六面體等，然后進(jìn)行單元分析，并據(jù)此列出單元的勢(shì)能泛函[5]：

取線性位移模式，即把單元中的位移分量取為坐標(biāo)x，y，z的線性函數(shù)：

參數(shù)常應(yīng)變?nèi)切螁卧治?，可見式?）中的常數(shù)，，代表剛性位移；，，代表常量正應(yīng)變；其余6個(gè)系數(shù)則反映了剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，即：

和常量剪應(yīng)變，即：

也就是說，12個(gè)系數(shù)充分反映了單元的剛體位移和常量應(yīng)變。

1.2 有限元模型的建立

由于有限元分析軟件ABAQUS的實(shí)體建模能力不夠強(qiáng)大，對(duì)于不規(guī)則結(jié)構(gòu)的物體更是很難建模，但是ABAQUS支持多種軟件的數(shù)據(jù)傳遞和共享，這在一定程度上彌補(bǔ)了建模能力不強(qiáng)的弱點(diǎn)。

該文利用SolidWorks和ABAQUS相結(jié)合的方法研究某大型升降系統(tǒng)的懸臂箱體受力特性分析，運(yùn)用SolidWorks建立升降系統(tǒng)懸臂箱體的實(shí)體模型，通過SolidWorks和ABAQUS軟件的數(shù)據(jù)接口把三維實(shí)體模型導(dǎo)入到ABAQUS中，再進(jìn)行劃分網(wǎng)格、創(chuàng)建邊界條件和施加載荷并完成有限元分析。

2 有限元分析

根據(jù)該平臺(tái)升降系統(tǒng)懸臂箱體的實(shí)際工況條件，設(shè)置正確合理的邊界條件和載荷施加后，即可進(jìn)行有限元分析求解，獲得該平臺(tái)升降系統(tǒng)懸臂箱體的受力特性分布。

ABAQUS/CAE具有強(qiáng)大的后處理功能，能夠很好的完成升降系統(tǒng)懸臂箱體的分析求解。提交分析JOB后的數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果可在后處理模塊Visualization中得到直觀的變化云圖。圖1和圖2分別是懸臂箱體壁厚為12 mm的應(yīng)力和應(yīng)變分布云圖。

由圖1可知，壁厚為12 mm的懸臂箱體應(yīng)力最大值出現(xiàn)在靠近升降系統(tǒng)的箱體上表面，位于電機(jī)輸入端的箱體側(cè)板與軸承法蘭板的結(jié)合處。由于懸臂箱體的外側(cè)還要懸掛一個(gè)動(dòng)力輸入電機(jī)，在升降系統(tǒng)工作過程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)懸臂減速箱中的齒輪嚙合傳遞轉(zhuǎn)矩，通過懸臂減速箱的輸出軸把動(dòng)力傳遞給升降系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的上升和下降。在轉(zhuǎn)矩的傳遞過程中，懸臂箱體不僅承受軸承的壓力，同時(shí)受到電機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩和自身重量的疊加作用。通過以上分析可以，壁厚為12 mm的懸臂箱體應(yīng)力分布圖與理論分析相一致，應(yīng)力最大值為51.69 MPa。

圖2是壁厚為12 mm的懸臂箱體應(yīng)變分布圖，從圖中可以看出懸臂箱體在電機(jī)及自身重量的作用下，最大應(yīng)變位置發(fā)生在電機(jī)輸入端處，和實(shí)際結(jié)果相符，應(yīng)變最大值是0.0782 mm。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于該項(xiàng)目的懸臂箱體材料為Q235，壁厚為12 mm的最大應(yīng)力值為51.69 MPa、最大應(yīng)變值為0.0782 mm，最大應(yīng)力值小于箱體材料的屈服強(qiáng)度，最大變形量小于設(shè)計(jì)允許的最大變形量。根據(jù)以上分析結(jié)果，為了優(yōu)化設(shè)計(jì)，將懸臂箱體的壁厚由原來(lái)的12 mm減少到8 mm，重新創(chuàng)建模型，添加邊界條件和載荷，分析得到箱體壁厚為8 mm的應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖如圖3和圖4所示。

從圖3和圖4可以看出，懸臂箱體的壁厚由12 mm減少為8 mm后，箱體的最大應(yīng)力和應(yīng)變位置沒有發(fā)生變化，但最大應(yīng)力值從51.69 MPa增大到68.79 MPa，最大應(yīng)變值由0.0782 mm增大到0.0996 mm，這是由于箱體的壁厚減少引起的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)龃蟮慕Y(jié)果。從以上的分析結(jié)果可以看出，懸臂箱體的壁厚減少了4 mm導(dǎo)致箱體的最大應(yīng)力值和最大應(yīng)變值都增大，但增大后的應(yīng)力、應(yīng)變值仍然在機(jī)構(gòu)的允許變化范圍內(nèi)，該分析結(jié)果已被項(xiàng)目采納。

4 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用三維實(shí)體建模軟件SolidWorks建立某平臺(tái)升降系統(tǒng)懸臂箱體的實(shí)體模型，并通過轉(zhuǎn)換接口導(dǎo)入到有限元分析軟件ABAQUS中，通過設(shè)置合理的邊界條件和載荷類型，完成該升降系統(tǒng)懸臂箱體的有限元仿真分析，得到箱體的應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖。由懸臂箱體分析可知，壁厚是12 mm的懸臂箱體最大應(yīng)力和最大應(yīng)變值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用值，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)把壁厚改為8 mm。從有限元分析結(jié)果可知，壁厚為8 mm的升降系統(tǒng)懸臂箱體是可以滿足項(xiàng)目需要的，該優(yōu)化方案已經(jīng)被生產(chǎn)實(shí)踐所采納。

運(yùn)用SolidWorks和ABAQUS軟件相結(jié)合的方法來(lái)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和分析，可以省去制造物理樣機(jī)，避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的局限性，大大縮短了新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，提高了工作效率，節(jié)約了大量的人力和物力。該文可以為類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供一種嶄新的設(shè)計(jì)方法，并具有一定的指導(dǎo)作用。

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