黃東平

摘 要：為了使搬運(yùn)小車具有良好的動(dòng)態(tài)和使用性能，同時(shí)降低生產(chǎn)成本，節(jié)約材料，利用COSMOSWorks軟件對其主要受力部件提升梁板進(jìn)行了靜態(tài)和模態(tài)分析，并以此為基礎(chǔ)，用提升梁板的質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)，以它的尺寸、應(yīng)力以及一階固有頻率為約束條件，建立了提升梁板的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，最后由COSMOSWorks計(jì)算出優(yōu)化結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)了提升梁板的優(yōu)化過程。

關(guān)鍵詞：COSMOSWorks；搬運(yùn)小車提升梁板；優(yōu)化設(shè)計(jì)

引言

搬運(yùn)小車是現(xiàn)代生產(chǎn)過程中及現(xiàn)代物流輸送設(shè)備中傳送物料的很重要設(shè)備，隨著現(xiàn)代工業(yè)化節(jié)奏的加快，搬運(yùn)小車的使用也較以前廣泛使用起來，為了適應(yīng)這種變化，就要求生產(chǎn)廠家針對搬運(yùn)小車進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)工藝尺寸等進(jìn)行優(yōu)化，使之既能夠滿足生產(chǎn)需要，又要保證方便、輕巧正常運(yùn)轉(zhuǎn)的特性，所有這些都要求在設(shè)計(jì)階段應(yīng)對搬運(yùn)小車的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性，進(jìn)行認(rèn)真詳細(xì)地分析和研究。提升梁板是搬運(yùn)小車機(jī)架中重要的受力部件，對其動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，對于整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的可靠運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

提升梁板優(yōu)化設(shè)計(jì)按其目標(biāo)函數(shù)不同可以分為：①在保持材料消耗量不超過某一限定值的前提下使最大應(yīng)力達(dá)到最小，即應(yīng)力優(yōu)化。②在保證結(jié)構(gòu)件一定可靠度的前提下，使重量達(dá)到最小，即重量優(yōu)化。③在重量不超過一定值時(shí)，使可靠度最大，即可靠性優(yōu)化。

1.提升梁板三維建模

在建立提升梁板三維模型時(shí)，應(yīng)忽略次要因素，簡化復(fù)雜因素，抓住主要因素，采用自底而上的方式建立模型，模型如圖1所示。

2.提升梁板有限元分析

在開始優(yōu)化之前，先對提升梁板有限元分析，主要是進(jìn)行靜態(tài)、模態(tài)分析。

靜態(tài)分析是計(jì)算在應(yīng)用載荷作用下提升梁板的位移、應(yīng)變、應(yīng)力和反作用力等；模態(tài)分析利用提升梁板的固有特性與外界載荷和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)的特性，進(jìn)行振動(dòng)分析。通過模態(tài)分析得到提升梁板的固有頻率及振型，由此可以識別出提升梁板中存在的薄弱環(huán)節(jié)和可能被破壞區(qū)域，為結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供參考依據(jù)[1] [2]，理論上提升梁板是一個(gè)具有無限多個(gè)自由度的振動(dòng)系統(tǒng)，存在對應(yīng)于固有頻率的無限多個(gè)振型（算例只取前四階，高階振型阻尼值一般較高，在振動(dòng)中起的作用較?。ㄟ^有限元的計(jì)算，可得靜態(tài)位移、應(yīng)力和頻率模態(tài)，分析過程如下：

劃分網(wǎng)格之后，通過COSMOSWorks對模型進(jìn)行計(jì)算，求解出提升梁板的應(yīng)力云圖合位移云圖安全系數(shù)云圖頻率計(jì)算結(jié)果（如圖3所示）：

如上圖可知，優(yōu)化前合位移最大位移是0.004464mm，最大應(yīng)力為57.92 MPa，第一階模態(tài)頻率為165.88Hz，最小安全系數(shù)為4.057.

3.搬運(yùn)小車提升梁板有限元優(yōu)化

所謂“最優(yōu)設(shè)計(jì)”指的是一種方案可以滿足所有的設(shè)計(jì)要求，而且所需的支出（如質(zhì)量、面積、體積、應(yīng)力、費(fèi)用）等最小[3]。依據(jù)提升梁板的靜力學(xué)以及模態(tài)分析結(jié)果，使其在滿足結(jié)構(gòu)尺寸、應(yīng)力極限和一階模態(tài)頻率要求的情況下質(zhì)量最小。所以，提升梁板優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型可建立如下：求 = [ ， ， ， ]，使質(zhì)量M min =（ ， ， ， ）

滿足 ， ， ， ， ， 。其中設(shè)計(jì)變量 為提升梁板中段高度， 為提升梁板低端寬度， 為提升梁板的厚度， 為提升梁板中段寬度， 為提升梁板固有頻率最低值， 為提升梁板一階固有頻率值， 為提升機(jī)電機(jī)運(yùn)動(dòng)頻率值， 為提升梁板最大應(yīng)力值， 為Q235A材料的許用應(yīng)力值， 為提升梁板最大位移值， 為提升梁板限值。

依據(jù)以上優(yōu)化模型參數(shù)，經(jīng)過迭代計(jì)算，最終求得提升梁板的優(yōu)化后位移云圖、應(yīng)力云圖、安全系數(shù)云圖及搬運(yùn)小車提升梁板的初始方案和優(yōu)化后的數(shù)據(jù)比較圖（如圖4）

根據(jù)數(shù)據(jù)對比看出，在滿足上述約束條件的情況下，優(yōu)化方案與初始方案相比，質(zhì)量減少了，提升梁板質(zhì)量優(yōu)化的過程，如圖9所示。

圖9提升梁板質(zhì)量優(yōu)化過程圖

4.結(jié)論

（1）通過過對提升梁板的有限元分析，得出安全系數(shù)過大，最大承受應(yīng)力值遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，浪費(fèi)了大量的原材料，進(jìn)而得出對其優(yōu)化的必要性。

（2）經(jīng)過對搬運(yùn)小車提升梁板的尺寸優(yōu)化，降低了提升梁板的質(zhì)量，雖然共振頻率有所降低，但各項(xiàng)指標(biāo)仍在許可約束范圍內(nèi)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

（3）用SoiIdWork建模，并對其材料進(jìn)行定義后，可很方便地得出物體的質(zhì)量、體積、重心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣性等參數(shù)，再根據(jù)實(shí)際條件定義約束和載荷后，配合與SoiIdWork無縫集成COSMOSWorks插件，進(jìn)行有限元分析，可很快并真實(shí)地得出應(yīng)力、變形、最小安全系數(shù)等參數(shù)，使設(shè)計(jì)者擺脫了繁瑣的校核工作，實(shí)現(xiàn)快速優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（4）COSMOSWorks的計(jì)算結(jié)果為搬運(yùn)小車提升梁板的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的數(shù)據(jù)依據(jù)，使得提升梁板的設(shè)計(jì)更具有可靠性和穩(wěn)定性，若在并行設(shè)計(jì)的環(huán)境下，運(yùn)用此種設(shè)計(jì)方法，能更快地設(shè)計(jì)出符合市場所需的產(chǎn)品，減短生產(chǎn)周期和提高生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]周傳榮.結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)[J]，振動(dòng)、測試與診斷，2001

[2]王學(xué)林.機(jī)床模態(tài)特性的有限分析[J].機(jī)床與液壓，2002（2）

[3]梁尚明，殷國富.現(xiàn)代機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[4]葉修梓.COSMOSWorks Desipnes[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007

[5]江洪，陳燎，王智.Solidworks有限元分析實(shí)例解析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007