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(西華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610039)

0 引言

圖1 某夾具制造工廠平面圖

某汽車(chē)工裝夾具設(shè)計(jì)制造廠平面布局如圖1所示，左側(cè)車(chē)間與右側(cè)車(chē)間由兩根立柱隔開(kāi)。圖中的四邊形均為汽車(chē)工裝夾具，重量約0.5～3 t之間，左側(cè)車(chē)間設(shè)有行吊，設(shè)計(jì)制造的工裝夾具能夠在左側(cè)通過(guò)行吊輕便移動(dòng)，但是右側(cè)車(chē)間卻沒(méi)有行吊，在夾具的生產(chǎn)搬運(yùn)過(guò)程中十分麻煩，耗費(fèi)大量人力物力，生產(chǎn)效率低。

為此，決定自主設(shè)計(jì)一臺(tái)可移動(dòng)龍門(mén)架提升機(jī)。該移動(dòng)龍門(mén)架主梁采用工字鋼型材，既能承重，又可作為電動(dòng)葫蘆的橫向移動(dòng)軌道。該龍門(mén)架主梁與立柱之間使用高強(qiáng)度螺栓連接，拆卸方便。且可移動(dòng)龍門(mén)架在底部安裝有萬(wàn)向輪，能夠在工廠平地上實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)，從而在很大程度上實(shí)現(xiàn)節(jié)約人力、物力、實(shí)現(xiàn)起重機(jī)械化，提升生產(chǎn)效率。

圖2 龍門(mén)架模型

采用材料力學(xué)公式與有限元軟件相結(jié)合的方法對(duì)移動(dòng)龍門(mén)架橫梁進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度校核，計(jì)算結(jié)果表明設(shè)計(jì)符合要求。

使用UG建立的龍門(mén)架模型如圖2。

1 可移動(dòng)龍門(mén)架橫梁受力分析

圖2所示為可移動(dòng)龍門(mén)架提升機(jī)構(gòu)，橫梁上有一個(gè)移動(dòng)的電葫蘆，其輪距為d，最大起重量為F=50 kN，橫梁由工字鋼制成。所選用工字鋼的材料性能與載荷情況如表1。

表1 材料特性

1.1 工字鋼橫梁型號(hào)選擇

電葫蘆吊具在橫梁內(nèi)左右移動(dòng)，兩輪對(duì)橫梁的壓力相等，故兩輪除截面內(nèi)可能產(chǎn)生的最大彎矩的極大值相同，且位置相對(duì)將對(duì)稱(chēng)于梁的跨度中點(diǎn)?，F(xiàn)假設(shè)電葫蘆左輪距離A支撐點(diǎn)xm時(shí)，左輪位置在B點(diǎn)，此時(shí)橫梁承受最大彎矩，由平衡方程。

∑MD=0

(1)

可得，左支座的支反力FA為：

(2)

左輪B處截面上的彎矩MB為：

MB=FAx

(3)

將(2)帶入(3)式中：

(4)

(5)

將(4)帶入(3)式中，電葫蘆對(duì)梁產(chǎn)生最大彎矩的極大值：

(6)

按正應(yīng)力強(qiáng)度條件，計(jì)算梁所需要的彎曲截面系數(shù)Wz′為：

(7)

計(jì)算得出Wz′=192×10-6m3，查工字鋼(GB 706-1988)選取工字鋼型號(hào)為20a，其抗彎截面系數(shù)為：

Wz=237×103mm3則梁內(nèi)最大正應(yīng)力為：

σmax<[σ]，選用20a型號(hào)工字鋼滿(mǎn)足許用應(yīng)力的要求。

1.2 工字鋼橫梁切應(yīng)力強(qiáng)度校核

對(duì)于橫力彎曲下的等直梁，其截面上一般來(lái)說(shuō)既有正應(yīng)力，也有切應(yīng)力。安全起見(jiàn)，需要對(duì)梁進(jìn)行切應(yīng)力校核。

(8)

由(2)式得：

由此可見(jiàn)，τmax<[τ]，20a工字鋼滿(mǎn)足切應(yīng)力強(qiáng)度條件。

1.3 工字鋼橫梁鋼度校核

由于實(shí)際運(yùn)用當(dāng)中，梁的位移過(guò)大也會(huì)影響其正常工作，在起重過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致橫梁振動(dòng)劇烈，因此必須對(duì)其進(jìn)行剛度校核。

由于梁上的兩個(gè)集中載荷的方向都是向下的，其撓曲線(xiàn)無(wú)拐點(diǎn)，故可按梁跨中截面的撓度為最大撓度計(jì)算，并由疊加原理可得：

(9)

其中：Fi橫梁所受集中載荷；bi集中力矩支點(diǎn)距離；E材料彈性模量；Iz工字鋼截面慣性矩；l跨距。最后計(jì)算得出：w=5.0 mm。

(10)

因w<[w]，故滿(mǎn)足剛度條件。

2 運(yùn)用ANSYS Workbench校核

2.1 ANSYS Workbench簡(jiǎn)介

ANSYS Workbench是基于有限元法工程仿真集成平臺(tái)，具有快捷的參數(shù)優(yōu)化工具、裝配體自動(dòng)分析、網(wǎng)格自動(dòng)劃分，是一款操作界面非常方便的一款軟件。ANSYS Workbench具有較高的集成功能，真正實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿真、優(yōu)化功能于一身，用戶(hù)可以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)平臺(tái)上面完成產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中的所有工作，從而具有節(jié)約產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、加速產(chǎn)品上市時(shí)間，迅速占領(lǐng)市場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)。

2.2 有限元模型的建立

對(duì)龍門(mén)架橫梁的有限元分析方法，使用ANSYS Workbench的梁?jiǎn)卧?，選用ANSYS Workbench中的Static Structural模塊：

1)定義材料屬性，選用結(jié)構(gòu)鋼Q235屈服強(qiáng)度235 MPa。設(shè)置材料的彈性模量210 GPa，泊松比0.274，在DM模塊建立三維模型。

2)建立龍門(mén)架橫梁有限元模型并對(duì)橫梁進(jìn)行網(wǎng)格劃分。ANSYS Workbench有自動(dòng)劃分網(wǎng)格功能，但是為了取得較好的結(jié)果，還是需要對(duì)網(wǎng)格手動(dòng)修改，更改網(wǎng)格尺寸等，結(jié)果如圖3。

圖3 龍門(mén)架橫梁模型

圖4 龍門(mén)架橫梁約束與載荷實(shí)加圖

4)結(jié)果分析。圖5是橫梁受力后的位移量及分布情況,圖中橫梁兩端顏色為深藍(lán)色，表示位移兩最小為0，然后從兩端向中間逐漸變?yōu)榧t色，表示位移從小變大的分布。最大值5.224 mm，小于許用撓度5.8 mm。圖6中橫梁所受彎矩最大值發(fā)生在圖中橫梁中部紅色區(qū)域處，最大值為32597 N·m，越靠近兩端彎矩越小，最小值為2.2145e-8 N·m接近于0，圖7為橫梁受載后橫梁內(nèi)應(yīng)力分布情況，兩端為固定支架處剛性最強(qiáng)所受應(yīng)力最小，為5.6156e-19 MPa接近于0，顏色從兩端深藍(lán)漸變?yōu)樯罴t表示橫梁應(yīng)力的逐漸增大，最大值為135.11 MPa，小于橫梁許用應(yīng)力170 MPa，即橫梁中部為橫梁的危險(xiǎn)截面，最容易發(fā)生斷裂。

圖5 龍門(mén)架橫梁位移圖(放大28倍數(shù)后)

圖6 龍門(mén)架橫梁內(nèi)彎矩圖(放大28倍數(shù)后)

圖7 龍門(mén)架橫梁應(yīng)力圖(放大28倍數(shù)后)

3 生產(chǎn)加工后現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

圖8 可移動(dòng)龍門(mén)架現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖

設(shè)計(jì)后，按所選規(guī)格工字鋼進(jìn)行焊接制造，并投入使用超過(guò)半年，未發(fā)現(xiàn)任何問(wèn)題。實(shí)物如圖8所示。

對(duì)其撓度進(jìn)行測(cè)量，在電動(dòng)葫蘆位于龍門(mén)架橫梁中心偏左一點(diǎn)，左輪離支架中心1.375 m處，緩慢起吊一個(gè)重5 t的帶轉(zhuǎn)臺(tái)夾具，整個(gè)起吊過(guò)程緩慢、平穩(wěn)，振動(dòng)較小，待龍門(mén)架提升機(jī)構(gòu)穩(wěn)定后，用一個(gè)水平滑槽置于龍門(mén)架橫梁下方，滑槽上安裝一個(gè)千分表，用千分表測(cè)出龍門(mén)架橫梁最大位移量，反復(fù)測(cè)量5次，計(jì)算平均值為5.132 mm。通過(guò)對(duì)工況的實(shí)際分析，計(jì)算得出可移動(dòng)龍門(mén)架橫梁的型材規(guī)格選型，校核了橫梁的切應(yīng)力強(qiáng)度條件、剛度條件，并運(yùn)用ANSYS Workbench對(duì)橫梁進(jìn)行模擬仿真，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)物進(jìn)行測(cè)量，得出結(jié)果如表2。

表2 橫梁受力結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

綜合以上各種數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果，得到的結(jié)論如下：

1)所選用材料型號(hào)滿(mǎn)足具體使用要求，龍門(mén)架橫梁的強(qiáng)度、剛度、切應(yīng)力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2)由表2可以看出，ANSYS Workbench有限元分析結(jié)果與測(cè)量、力學(xué)計(jì)算的強(qiáng)度、剛度等誤差率較小，因此，有限元分析方法可以為其他梁類(lèi)以及類(lèi)似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析提供參考。

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