邢坤 程武山

摘? 要： 介紹了一種新型升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論并聯(lián)合MATLAB仿真分析驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)的可行性，并通過(guò)SolidWorks對(duì)其在極限工況下進(jìn)行有限元分析。在新型升降機(jī)構(gòu)可靠工作的前提下，對(duì)新型升降機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行有限元仿真優(yōu)化分析，分析結(jié)果表明：構(gòu)件材料消耗明顯減少，為新型升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供合理的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 新型升降機(jī)構(gòu);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);SolidWorks;MATLAB;有限元仿真分析

【Abstract】： This paper introduces the structure design of a new lifting mechanism， verifies the feasibility of the motion through kinematics theory and MATLAB simulation analysis， and carries out finite element analysis of the mechanism under extreme conditions through SolidWorks. On the premise of reliable operation of the new lifting mechanism， the finite element simulation optimization analysis of the key components of the new lifting mechanism is carried out. The analysis results show that the material consumption of the components is significantly reduced， which provides a reasonable theoretical basis for the design and improvement of the new lifting mechanism.

【Key words】： New lifting mechanism; Structural design; SolidWorks; MATLAB; Finite element simulation analysis

0? 引言

垂直升降機(jī)構(gòu)自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、人們?nèi)粘Ｉ钪械冗\(yùn)用越來(lái)越廣泛.例如房屋的修繕，建筑作業(yè)時(shí)提高水平面高度以提高工作效率。因此升降機(jī)構(gòu)已成為社會(huì)生活工作必不可少的機(jī)械設(shè)備?，F(xiàn)在市場(chǎng)上升降機(jī)構(gòu)的類型也種類繁多，不同的工作場(chǎng)合，工作環(huán)境，然而在某些極端工況條件下，如壓力容器，核電站反應(yīng)堆等內(nèi)部空間大入口小工況下，就需要對(duì)升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)有很大的要求。因此，構(gòu)造出體積小同時(shí)要滿足升降高度要求的升降機(jī)構(gòu)具有重要的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。為此，在常規(guī)垂直升降機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，同時(shí)為了滿足在極端工作環(huán)境下，內(nèi)部空間大入口小的工作環(huán)境，運(yùn)用復(fù)合機(jī)構(gòu)的理論知識(shí)設(shè)計(jì)出了新型垂直升降機(jī)構(gòu)。同時(shí)通過(guò)三維軟件對(duì)其部件構(gòu)型，組裝。最后為了機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，在動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)上對(duì)其關(guān)鍵部件進(jìn)行有限元分析。機(jī)構(gòu)在保證強(qiáng)度的前提下，對(duì)其進(jìn)行有限元優(yōu)化分析，提高設(shè)計(jì)中最大限度發(fā)揮材料的特性，且明顯減輕了機(jī)構(gòu)的質(zhì)量。

1? 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與機(jī)構(gòu)原理

1.1? 整體布局設(shè)計(jì)

升降平臺(tái)主要有底層支撐底座平臺(tái)、傳動(dòng)連桿、傳動(dòng)齒輪、上層支撐平臺(tái)、液壓推桿等組成。底層支撐平臺(tái)主要起到傳遞動(dòng)力和穩(wěn)定支撐的作用，同時(shí)平臺(tái)下有可移動(dòng)的輪子，方便了整個(gè)平臺(tái)的移動(dòng)。液壓推桿的作用是液壓部分主要提供驅(qū)動(dòng)力[2]，通過(guò)傳動(dòng)連桿來(lái)進(jìn)行垂直升降，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)功能。

1.2? 機(jī)構(gòu)原理

上圖為升降裝置的平面原理圖，機(jī)構(gòu)由兩個(gè)串聯(lián)的雙邊平行四邊形機(jī)構(gòu)通過(guò)寄生于連桿上的齒輪進(jìn)行傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)連桿滑塊機(jī)構(gòu)來(lái)推動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)裝置來(lái)運(yùn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)的各個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如下圖所示。

根據(jù)平面自由度公式式中：F—機(jī)構(gòu)自由度數(shù);n—機(jī)構(gòu)中的活動(dòng)構(gòu)件數(shù);PL—機(jī)構(gòu)中的低副數(shù);PH—機(jī)構(gòu)中的高副數(shù)，圖中，n=8，PL=11，PH=1。由上式可得：F=3×8–2×11–1=1，機(jī)構(gòu)的自由度為1，便可知道機(jī)構(gòu)具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

2? 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析

2.1? 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

由上面的圖表顯示，機(jī)構(gòu)的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中角位移、角速度、角加速度曲線光滑且連續(xù)的特點(diǎn)，這說(shuō)明了機(jī)構(gòu)在運(yùn)行的過(guò)程中其角位移、角速度、角位移變化均勻，機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，很好的滿足了平臺(tái)的升降的功能，實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)。

2.2? 機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析

進(jìn)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析是為了分析機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)模塊的受力隨時(shí)間的變化規(guī)律，這對(duì)于機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性、可靠性有重要的意義[3]。在這里需要分析驅(qū)動(dòng)源的受力變化規(guī)律也即分析P點(diǎn)的受力情況。首先整個(gè)的機(jī)構(gòu)裝置通過(guò)兩個(gè)并行的液壓推桿來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)平臺(tái)的升降。從推桿的布置可以知道平臺(tái)在升降的初始位置時(shí)，推桿輸出的力最大。因此在最大載重極限工作情況下能夠安全工作就能保證整個(gè)機(jī)構(gòu)的安全性[4]。平臺(tái)的重量為300 kg，載重200 kg，借助Solidworks中的motion插件對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行模擬分析得到p點(diǎn)的受力曲線如下圖所示。

3? 機(jī)構(gòu)的有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了使升降平臺(tái)能夠在最大極限工況情況下能夠安全工作，通過(guò)有限元軟件對(duì)AD運(yùn)動(dòng)部件受力分析處理，通過(guò)分析結(jié)果然后對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的強(qiáng)度進(jìn)行校核，然后為了進(jìn)一步提高機(jī)構(gòu)的性能對(duì)關(guān)鍵的AD部件進(jìn)行優(yōu)化[5]。

3.1? 分析前處理

平臺(tái)AD構(gòu)件采用Q235材料構(gòu)件結(jié)構(gòu)如下圖所表示，在SolidWorks軟件對(duì)構(gòu)件AD構(gòu)件進(jìn)行簡(jiǎn)化為有限元分析做前處理，打開SolidWorks中的simulation插件對(duì)簡(jiǎn)化過(guò)后的AD構(gòu)件進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，對(duì)于一些受力的運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行細(xì)致的局部網(wǎng)格劃分。

根據(jù)升降機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)和受力特征，在最大負(fù)載狀態(tài)下，對(duì)構(gòu)件AD施加載荷.

3.2? 仿真結(jié)果分析

AD構(gòu)件有限元分析結(jié)果如下圖。由分析結(jié)果可以表明，在P處應(yīng)力最大為其最大應(yīng)力，且最大應(yīng)力82.22 MPa，選取的材料的屈服極限 220 Mpa;因此，最大工作應(yīng)力小于材料的屈服應(yīng)力，故滿足強(qiáng)度要求。

3.3? 仿真優(yōu)化分析

首先根據(jù)圖九和圖十的有限元分析結(jié)果，可知AD的最大工作應(yīng)力82.22 Mpa，此時(shí)應(yīng)力值小于材料的最大須用應(yīng)力160 MPa[6]。因此構(gòu)件AD是在工作安全狀態(tài)的，但是相較于最大許用應(yīng)力較小很多。為了提高設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能，在滿足其他正常運(yùn)動(dòng)的條件下，進(jìn)行對(duì)構(gòu)件AD進(jìn)行優(yōu)化仿真以減輕AD的重量使機(jī)構(gòu)更加輕便.

AD構(gòu)件選用材料為Q235，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選取鋼板作為構(gòu)件的材料，由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)現(xiàn)有AD構(gòu)件厚度30 mm，把厚度作為構(gòu)件AD的優(yōu)化變量，然后再進(jìn)行逐步優(yōu)化。首先優(yōu)化的變量要有一定的范圍，選取10 mm到30 mm作為優(yōu)化變量的范圍。然后通過(guò)三維軟件對(duì)AD構(gòu)件參數(shù)化建模，通過(guò)對(duì)不同厚度的AD構(gòu)件進(jìn)行有限元仿真分析得到如下圖結(jié)果。通過(guò)圖表可以看出隨著厚度的逐步增加最大工作應(yīng)力的值在逐步減小。因此可以得出改變厚度對(duì)所受力構(gòu)件應(yīng)力有很大影響。在上面的分析情況下，滿足最大工作應(yīng)力小于許用應(yīng)力的安全工作狀態(tài)前提條件下，求解AD的最小質(zhì)量。

為了求解在工作安全狀態(tài)下AD質(zhì)量最小，通過(guò)三維軟件參數(shù)化建模進(jìn)行有限元仿真分析對(duì)比。得出如下圖所示最優(yōu)厚度為11mm，圖十二顯示構(gòu)件AD最大工作應(yīng)力159.5MPa，小于材料許用應(yīng)力160MPa，是在安全狀態(tài)下[7]，能夠正常安全運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)減輕了質(zhì)量，避免材料的浪費(fèi)減低成本，提高了機(jī)構(gòu)的整體性能。

4? 結(jié)論

本文介紹了一種新型升降機(jī)構(gòu)，通過(guò)三維軟件對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論分析并聯(lián)合MATLAB仿真分析出運(yùn)動(dòng)的參數(shù)的曲線，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。同時(shí)在最大工作狀態(tài)下對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析得出受力曲線。通過(guò)動(dòng)力學(xué)得分析結(jié)果對(duì)其受力構(gòu)件進(jìn)行約束受力進(jìn)行有限元仿真優(yōu)化，最終求解出在安全工作狀態(tài)下，最優(yōu)厚度，使構(gòu)件質(zhì)量減少百分之45，大幅度減少材料消耗。

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