大型筒節(jié)翻轉(zhuǎn)機(jī)基于Solidworks的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)及性能仿真分析

齊謙柱 馬北一

摘 要：大型筒節(jié)翻轉(zhuǎn)機(jī)是一種用于對(duì)大型筒節(jié)進(jìn)行調(diào)運(yùn)、輸送、翻轉(zhuǎn)、加工等操作的設(shè)備。其主要結(jié)構(gòu)由直角框架繞轉(zhuǎn)軸雙向旋轉(zhuǎn)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)將大型筒節(jié)的軸線由水平方向轉(zhuǎn)成垂直方向或由垂直方向轉(zhuǎn)成水平方向的操作。由于大型筒節(jié)及翻轉(zhuǎn)機(jī)自身的重量都很大，因此其結(jié)構(gòu)性能的可靠性是整個(gè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容。本研究主要是利用Solidworks軟件的虛擬建模及其COSMOSWorks模塊的有限元仿真分析功能高效的完成對(duì)翻轉(zhuǎn)機(jī)的概念設(shè)計(jì)，簡化整體設(shè)計(jì)過程，并對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)現(xiàn)系列化處理。

關(guān)鍵詞：大型筒節(jié)；翻轉(zhuǎn)機(jī)；性能仿真分析；虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)

引言

大型筒節(jié)是一種管狀鋼材，其作用主要是通過焊接方式組合成化學(xué)材料存儲(chǔ)罐的罐體或者壓力容器的罐體，應(yīng)用極為廣泛。本研究中所涉及的翻轉(zhuǎn)機(jī)主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)直徑超過2m，重量超過百噸的大型筒節(jié)進(jìn)行調(diào)運(yùn)、輸送、翻轉(zhuǎn)、加工等操作的設(shè)備。

1 概念設(shè)計(jì)

本研究中設(shè)計(jì)的翻轉(zhuǎn)機(jī)所指向的大型筒節(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括：筒節(jié)直徑3.5m～6m；高度2m～4m；最大重量180t；動(dòng)作要求是將筒節(jié)的軸線由水平方向轉(zhuǎn)為垂直方向或相反。

根據(jù)筒節(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù)及要實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作要求，初步設(shè)定翻轉(zhuǎn)機(jī)機(jī)構(gòu)工作原理為：翻轉(zhuǎn)臺(tái)由直角框架結(jié)構(gòu)組成，其直角頂點(diǎn)處作為翻轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線，筒節(jié)由起吊裝置吊起并放置在翻轉(zhuǎn)臺(tái)上。翻轉(zhuǎn)臺(tái)在起吊設(shè)備的作用下開始翻轉(zhuǎn)，在0°～53°的范圍內(nèi)利用起吊設(shè)備作為動(dòng)力源，當(dāng)轉(zhuǎn)角超過53°后利用翻轉(zhuǎn)臺(tái)及筒節(jié)的自重所產(chǎn)生的向下的力自由下落，并通過液壓裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)下落速度的控制，使其平穩(wěn)下落。翻轉(zhuǎn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 翻轉(zhuǎn)機(jī)的Solidworks三維設(shè)計(jì)

三維造型設(shè)計(jì)就是利用特征來描述產(chǎn)品的信息。特征（Feature）就是設(shè)計(jì)者對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象的形狀、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、功能、加工、裝配、檢驗(yàn)、管理與使用信息及其關(guān)系等具有確切的工程含義的抽象描述[1-4]。

（1）建模步驟

首先，根據(jù)板件的形狀特征建立第一板件的模型，并將其長、寬、高三個(gè)參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，建立相應(yīng)的參數(shù)表，簡化建模過程。非參數(shù)化零件則根據(jù)各自形狀和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)依次建立三維模型。在建模同時(shí)，添加所有零件的相關(guān)參數(shù)。

然后，將所有零件模型按照對(duì)應(yīng)的位置關(guān)系進(jìn)行裝配。固定件之間采用放置方式進(jìn)行裝配，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間采用連接方式進(jìn)行裝配。以保證所有零件之間具有合理的位置關(guān)系和運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

最后，利用組裝完成的裝配體模型分別進(jìn)行有限元分析，從而確定整體結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求，確定設(shè)備使用中的安全性。

（2）建模及裝配

根據(jù)所建模型的特點(diǎn)，利用“系列零件設(shè)計(jì)表”，簡化模型的生成過程。設(shè)計(jì)完成后根據(jù)需要再進(jìn)行所有零部件的虛擬裝配。

組成翻轉(zhuǎn)機(jī)的裝配體主要包括三大部分：一、翻轉(zhuǎn)機(jī)的翻轉(zhuǎn)臺(tái)。其主要用于放置筒節(jié)，實(shí)現(xiàn)筒節(jié)軸線方向的轉(zhuǎn)變；二、翻轉(zhuǎn)機(jī)的底座。其主要作用是用于翻轉(zhuǎn)臺(tái)的固定及運(yùn)動(dòng)緩沖平臺(tái)；三、液壓緩沖裝置。其主要作用是減緩翻轉(zhuǎn)臺(tái)自由下落的速度，減輕沖擊力。其中翻轉(zhuǎn)臺(tái)和底座分別采用放置裝配使之具有焊接件的結(jié)構(gòu)特性。而翻轉(zhuǎn)臺(tái)和底座、底座和液壓緩沖裝置、翻轉(zhuǎn)臺(tái)和液壓緩沖裝置之間則采用連接裝配，使其具有運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的配合關(guān)系[5-8]。

完成的裝配體如圖2所示。

3 翻轉(zhuǎn)機(jī)結(jié)構(gòu)的有限元分析

根據(jù)筒節(jié)翻轉(zhuǎn)機(jī)的工作原理可知，在整個(gè)工作過程中翻轉(zhuǎn)臺(tái)會(huì)出現(xiàn)兩處受力最大的位置，其一是翻轉(zhuǎn)臺(tái)由靜止?fàn)顟B(tài)到開始轉(zhuǎn)動(dòng)的瞬間所受到的作用力，其二是翻轉(zhuǎn)臺(tái)在筒節(jié)和自身重力作用下自由下落時(shí)所產(chǎn)生的沖擊力。針對(duì)這兩個(gè)階段所進(jìn)行的有限元仿真分析[9-12]，對(duì)翻轉(zhuǎn)機(jī)的整體設(shè)計(jì)起到了至關(guān)重要的作用。

（1） 參數(shù)設(shè)定

根據(jù)所建立的三維仿真模型，可直接得到如下參數(shù)：

總體重量為273.815t。

重心坐標(biāo)點(diǎn)（3138.9，2379.0，0）

另外，為進(jìn)行有效的模擬分析，需要添加的參數(shù)條件包括：

牽引力：2165.611N

模型材料：Q345

（2） 添加模擬分析條件

整體模擬分析過程主要包括三個(gè)步驟。首先，對(duì)建立完成的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。然后，根據(jù)工作情況添加約束和載荷。最后，進(jìn)行模擬分析運(yùn)算。模擬條件添加完成的模型如圖3所示，分析結(jié)果如圖4所示。

A、翻轉(zhuǎn)機(jī)變形云圖 B、翻轉(zhuǎn)機(jī)應(yīng)力云圖

（3） 分析結(jié)果

從結(jié)果云圖可以確定，翻轉(zhuǎn)機(jī)的最大應(yīng)力值為96.4MP，而設(shè)計(jì)中所采用的材料為Q345，該種材料的屈服極限為345MPa，許用應(yīng)力為130MPa。因此，從分析結(jié)果上看，本次設(shè)計(jì)的翻轉(zhuǎn)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)最初的設(shè)計(jì)要求，設(shè)備可以安全可靠的完成對(duì)大型筒節(jié)的各項(xiàng)操作。

4 結(jié)束語

Solidworks模擬設(shè)計(jì)及仿真分析能力的應(yīng)用，使得大型筒節(jié)翻轉(zhuǎn)機(jī)的設(shè)計(jì)可以擺脫傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)存在的弊端，使得設(shè)備樣機(jī)的加工制造可以在設(shè)計(jì)更加成熟和完善的前提下進(jìn)行。對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行性能仿真分析可以避免反復(fù)制造物理樣機(jī)進(jìn)行測試所帶來的種種困難。同時(shí)，在進(jìn)行三維虛擬建模的同時(shí)還可以生成所有設(shè)計(jì)尺寸的系統(tǒng)化參數(shù)統(tǒng)計(jì)表，這對(duì)于同類型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有重大的參考價(jià)值，可以大大減少同類型設(shè)備設(shè)計(jì)的工作量。

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作者簡介：齊謙柱，（1972），男，鞍山鐵塔制造總廠機(jī)械分廠，工程師，研究方向：機(jī)械加工、鑄造工藝。

馬北一，（1979），女，遼寧科技大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，工程師，研究方向：新型特種機(jī)械的研究與開發(fā)。