閻慧杰，許 琛，武勁松，張曉強(qiáng)，郭樂樂，李彥馨

(山西航天清華裝備有限責(zé)任公司，山西 長治 046000)

0 引言

在機(jī)械設(shè)計過程中，要求其具備完整性和創(chuàng)造性。機(jī)械工裝是機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計和制造過程中的輔助產(chǎn)品，其作用是提高主體產(chǎn)品生產(chǎn)的安全可靠性，對生產(chǎn)工藝和品質(zhì)起到必不可缺的輔助作用，因此工裝也必須具備良好的力學(xué)性能和產(chǎn)品可靠性。工裝設(shè)備可以提高勞動生產(chǎn)率，改善勞動生產(chǎn)條件。為了保證工裝在設(shè)計過程中的可靠性，通常要對所設(shè)計的工裝進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

為完成某起豎托架的調(diào)試工作，本文針對某起豎托架試驗所需配合設(shè)計了配重工裝，使用UG8.5三維軟件對配重工裝進(jìn)行了三維建模，將三維模型保存為固定格式，導(dǎo)入到有限元分析軟件中，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)載荷施加的大小和方向確定模型的邊界條件，最后借助有限元分析軟件對模型進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析，得到相應(yīng)的分析云圖，從而獲知配重工裝的最大應(yīng)力值和最大變形量，以確定其是否可以滿足結(jié)構(gòu)的設(shè)計需求[1，2]。

1 配置工裝方案設(shè)計

配重工裝是為了配合起豎托架進(jìn)行調(diào)試試驗而設(shè)計的，在設(shè)計時應(yīng)當(dāng)考慮與托架的接口連接和配重放置。根據(jù)實際功能需求，配重工裝主要由配重1、限位銷2、螺桿3、配重支架4四部分組成，如圖1所示。總共有5塊配重，總質(zhì)量為105 kg，配重上焊接有吊環(huán)方便吊裝，配重通過3個限位銷套在一起，再用4根螺桿穿過最上方配重的支耳與配重支架上的螺栓座進(jìn)行栓接固定。下方配重支架安裝在起豎托架上，4個角處分別焊接4個角件，用于接口定位安裝，其余框架主要由矩形管焊接而成，并配焊有6個吊環(huán)，方便吊裝到起豎架上。

1-配重;2-限位銷;3-螺桿;4-配重支架

2 配重工裝三維實體模型的建立

借助UG8.5三維軟件設(shè)計出了配重的總體三維模型。其中關(guān)鍵部件為配重支架，如圖2所示。配重支架的整體設(shè)計質(zhì)量決定了配重工裝能否支撐相應(yīng)的配重，配重支架的可靠性至關(guān)重要，因此本文主要針對配重支架模型進(jìn)行分析。

圖2 配重支架三維模型

3 配重支架的有限元分析

3.1 材料選取

由于配重總質(zhì)量為105 kg，為足夠支撐配重，同時結(jié)合材料性能和實際應(yīng)用需求，故選擇Q345B作為配重支架的主體材料，該牌號材料的力學(xué)性能如表1所示[3]。

表1 Q345B的力學(xué)性能

同時為滿足配重支架設(shè)計需求，結(jié)合材料性能，對于該配重支架，要求其整體變形量不大于1.5 mm。

3.2 受力分析

由于起豎托架在調(diào)試時處于靜載狀態(tài)，因此當(dāng)配重支架安裝到起豎架上時處于靜止?fàn)顟B(tài)，配重支架受到的載荷主要來自5塊均布在框架與配重接觸平面的配重的重力，其所受載荷約為106N。

3.3 建立有限元模型

借助UG8.5三維軟件建立好配重支架模型后，在進(jìn)行有限元分析前，刪掉對模型受力影響不大的零件，如吊環(huán)、螺栓座。再將模型保存為“.stp”文件格式，通過文件接口導(dǎo)入到有限元軟件中，對配重支架模型定義相應(yīng)的材料屬性，然后進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，設(shè)定網(wǎng)格大小為10 mm，得到了27 013個單元和95 667個節(jié)點，從而成功構(gòu)建了配重支架的有限元模型，如圖3所示。

圖3 配重支架有限元模型

3.4 施加邊界條件

計算時，在框架下端模仿托架4個角件固定點及托架縱梁支撐的位置施加約束，在框架與配重接觸的平面施加10 t載荷，約束和載荷的施加如圖4所示。

圖4 施加邊界條件

3.5 結(jié)果分析

對配重支架進(jìn)行仿真求解，得到了等效應(yīng)力云圖和等效變形云圖，分別如圖5、圖6所示。從圖5可以看出，配重支架的最大應(yīng)力為189.54 MPa，小于所選材料的屈服強(qiáng)度值；從圖6可以看出，配重支架的整體最大變形量約為0.26 mm，遠(yuǎn)小于規(guī)定的最大變形量。綜上所述，配重支架的強(qiáng)度和剛度均可以滿足設(shè)計需求，有良好的設(shè)計可靠性[4-6]。

圖5 配重支架應(yīng)力云圖

圖6 配重支架變形云圖

4 結(jié)語

基于配重工裝的方案設(shè)計，相應(yīng)地建立其三維模型，在模型基礎(chǔ)上，對關(guān)鍵件配重支架進(jìn)行了有限元分析，通過整體分析得出，最大應(yīng)力和最大變形量完全符合設(shè)計需求。

通過有限元分析可以在生產(chǎn)前發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)是否合理可靠，極大地縮短了生產(chǎn)周期，節(jié)約了生產(chǎn)成本，降低了次品率，從而實現(xiàn)高效穩(wěn)定的生產(chǎn)，對類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有一定的參考價值。