徐宏坤

[摘要] 在現(xiàn)有機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上增強(qiáng)和優(yōu)化在設(shè)計(jì)工作中十分常用。本文介紹一種用于實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練模擬靶標(biāo)起/倒動(dòng)作機(jī)構(gòu)的近似尺寸結(jié)構(gòu)強(qiáng)化設(shè)計(jì)方法，用SolidWorks中Motion與Simulation模塊進(jìn)行聯(lián)合仿真，對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)全過(guò)程中構(gòu)件受力條件完成有限元分析，對(duì)構(gòu)件優(yōu)化展開(kāi)相關(guān)研究。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力學(xué)仿真 有限元分析 simulationMotion 靶標(biāo)

引言

原四連桿機(jī)構(gòu)需要提高負(fù)載能力，但受空間限制無(wú)法再增大尺寸。在SolidWorks中對(duì)目標(biāo)機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模，使用Motion模塊按使用條件對(duì)運(yùn)行全程進(jìn)行仿真，并用simulation模塊對(duì)運(yùn)行全程中的機(jī)構(gòu)支座進(jìn)行有限元分析，判斷支座受到最大載荷的時(shí)刻及數(shù)值范圍。并對(duì)優(yōu)化后的機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析。

1. 使用聯(lián)合仿真進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析與優(yōu)化的意義

機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要做運(yùn)動(dòng)分析，以往可通過(guò)圖解或解析法對(duì)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)軌跡和受力進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)CAD、NX或SolidWorks等軟件進(jìn)行建模，可以方便檢查機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的正確性。而精確的受力分析，需要通過(guò)Adams、Ansys等軟件進(jìn)行有限元分析。此類軟件偏重理論分析，約束條件設(shè)置較復(fù)雜。ANSYS偏重彈性體，剛體運(yùn)動(dòng)分析功能比較有限，分析速度慢。Adams偏重剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)彈性體的受力形變分析較弱。仿真較復(fù)雜模型時(shí)，需從其他設(shè)計(jì)軟件導(dǎo)入再操作，往往需要分析的設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果并不復(fù)雜，而過(guò)程很繁瑣。

通過(guò)SolidWorks軟件的Motion與Simulation模塊進(jìn)行聯(lián)合仿真，可分析運(yùn)動(dòng)全過(guò)程參數(shù)，并對(duì)目標(biāo)構(gòu)件的全程與關(guān)鍵時(shí)刻進(jìn)行有限元分析。識(shí)別機(jī)構(gòu)關(guān)鍵環(huán)節(jié)、關(guān)鍵時(shí)刻，對(duì)構(gòu)件適時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。優(yōu)化后的設(shè)計(jì)可隨時(shí)進(jìn)行仿真，檢查修改優(yōu)化結(jié)果是否滿足要求。

2. 運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析建模研究

現(xiàn)有機(jī)構(gòu)通過(guò)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)模擬人形靶標(biāo)完成起/倒動(dòng)作，機(jī)體內(nèi)部采用四連桿實(shí)現(xiàn)靶標(biāo)90°范圍動(dòng)作，原設(shè)計(jì)支座采用鋁材質(zhì)。在使用場(chǎng)景中，時(shí)常使用超過(guò)單人靶標(biāo)尺寸的負(fù)載進(jìn)行超負(fù)載工作，數(shù)次使用后部分支座發(fā)生過(guò)載斷裂現(xiàn)象。為適應(yīng)場(chǎng)景需求，要求不改變主體安裝尺寸，優(yōu)化設(shè)計(jì)提高機(jī)構(gòu)抗負(fù)載能力。

在SolidWorks中進(jìn)行建模，設(shè)定支座構(gòu)件材質(zhì)，原材質(zhì)使用鑄鋁（代號(hào)ZL105），性能參見(jiàn)表1。其他零件可不精確設(shè)定材質(zhì)，但要賦予正確的零件質(zhì)量，以使仿真中動(dòng)作發(fā)生時(shí)的受力關(guān)系符合實(shí)際情況。

機(jī)構(gòu)建模并按實(shí)際運(yùn)動(dòng)約束裝配完成后，打開(kāi)Motion模塊，創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)算例，將機(jī)構(gòu)設(shè)定在初始運(yùn)行位置，賦予初始條件（圖1所示）。

設(shè)置固定約束：圖中固定約束點(diǎn);

設(shè)置重力環(huán)境：9.8m/s2豎直向下（綠色箭頭）;

設(shè)置機(jī)構(gòu)負(fù)載：靶標(biāo)、靶標(biāo)夾具產(chǎn)生的重力（由重力環(huán)境提供），水平方向的等效風(fēng)力（藍(lán)色箭頭）;

設(shè)置機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)：驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸產(chǎn)生主動(dòng)旋轉(zhuǎn)（紅色箭頭），并根據(jù)驅(qū)動(dòng)過(guò)程，賦予電機(jī)輸出軸位置輸出曲線。

限定運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)間，即可進(jìn)行運(yùn)動(dòng)過(guò)程仿真。仿真結(jié)束后可進(jìn)行不同倍速回運(yùn)動(dòng)過(guò)程。通過(guò)仿真，可以計(jì)算得到各零部件在各時(shí)刻的位置、速度/加速度、受力等數(shù)據(jù)，并可選擇形成曲線圖解（圖2左側(cè)曲線圖）。

完成運(yùn)動(dòng)仿真后，即可啟動(dòng)Simulation模塊，根據(jù)運(yùn)動(dòng)仿真產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，對(duì)零件在運(yùn)行全過(guò)程中的受力情況進(jìn)行有限元分析。在Simulation模塊中設(shè)定支座為待分析零件，設(shè)定分析時(shí)間段（或時(shí)間點(diǎn)），模塊可對(duì)零件自動(dòng)劃分網(wǎng)格，做有限元分析。完成后，零件能以應(yīng)力、應(yīng)變、形變等不同數(shù)據(jù)圖譜形式顯示任一時(shí)刻的工況，結(jié)合運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)的受力曲線圖，可方便分析零件的最大載荷位置、發(fā)生時(shí)刻等。

結(jié)果分析：通過(guò)仿真結(jié)果可知，支座在運(yùn)行過(guò)程中，最大應(yīng)力基本都出現(xiàn)在構(gòu)件材料垂直連接的位置，也是易產(chǎn)生應(yīng)力集中的位置。在機(jī)構(gòu)啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)主軸加速的短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大載荷，此時(shí)段內(nèi)應(yīng)力已比較接近材料極限，如果機(jī)構(gòu)攜帶載荷進(jìn)一步增大，應(yīng)力超出屈服強(qiáng)度，支座將在此部位失效，在鑄造工藝條件下表現(xiàn)為材料斷裂，與實(shí)際斷裂情況相符。

3. 設(shè)計(jì)優(yōu)化與仿真驗(yàn)證過(guò)程

為提高支座負(fù)載能力，改用Q235鋼材質(zhì)作為主體材料，并在局部結(jié)構(gòu)上增強(qiáng)以改善應(yīng)力狀態(tài)。

參考材料密度對(duì)比，盡量不增加整體重量，將支座主體厚度初選為原設(shè)計(jì)的1/3左右，對(duì)應(yīng)安裝位置尺寸沒(méi)有明顯變化，構(gòu)成主體的底板下部位置設(shè)置筋條提高穩(wěn)定性。同時(shí)，安裝電機(jī)輸出軸的立板因厚度減少，也依次設(shè)置筋條提高剛度和穩(wěn)定性。

支座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改動(dòng)后，更新機(jī)構(gòu)整體的裝配狀態(tài)，Motion模塊，可以重新運(yùn)行仿真，得到運(yùn)動(dòng)和受力數(shù)據(jù)。使用Simulation模塊再次進(jìn)行有限元分析，即可檢查出新設(shè)計(jì)的受力情況變化。

仿真的運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果與原狀態(tài)基本不變，Simulation模塊對(duì)支座零件重新進(jìn)行有限元分析，可得到以下結(jié)果：

1） 受到相同載荷條件下，最大應(yīng)力位置與原零件位置一致，但應(yīng)力數(shù)據(jù)均有較大下降，遠(yuǎn)離材料屈服極限，優(yōu)化設(shè)計(jì)有效;

2） 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)偏置造成兩側(cè)垂直支撐板件根部所受的應(yīng)力大小并不對(duì)稱，相應(yīng)地可以調(diào)整底部筋條的分布和尺寸，平均化兩側(cè)應(yīng)力;

3） 查看零件形變情況可以看出，兩側(cè)垂直支撐板減小了厚度，頂部因處于類似懸臂狀態(tài)，在承受負(fù)載過(guò)程中變形量較大，在不影響結(jié)構(gòu)安裝的條件下，增加一條連接條，增加穩(wěn)定性。

4. 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)以上仿真分析和迭代設(shè)計(jì)優(yōu)化，制作樣件并采用實(shí)際較高負(fù)載進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，沒(méi)有再發(fā)生斷裂破壞現(xiàn)象，機(jī)構(gòu)運(yùn)行正常，完全達(dá)到使用要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

以上設(shè)計(jì)過(guò)程可見(jiàn)，在SolidWorks中使用Motion和simulation模塊進(jìn)行聯(lián)合仿真，完成全過(guò)程的有限元分析，能夠快速檢查分析結(jié)果。對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度不高的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析優(yōu)化快速直觀，在設(shè)計(jì)迭代過(guò)程中可有效提高設(shè)計(jì)效率，是動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)便、高效的工具和方法。

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