焊裝大型配電房專用翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的仿真分析

付景順，薛 羊

(沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

焊裝大型配電房專用翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的仿真分析

付景順，薛 羊

(沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

焊裝大型配電房專用翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過液壓驅(qū)動裝置推動翻轉(zhuǎn)支架，使固定在翻轉(zhuǎn)支架上的待焊工件處于焊接最佳位置，改善焊接質(zhì)量。建立并簡化大型配電房翻轉(zhuǎn)焊裝機(jī)構(gòu)模型，利用ADAMS做機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程仿真，導(dǎo)入ANSYS Workbench對機(jī)構(gòu)整體和固定座、鉸鏈、液壓翻轉(zhuǎn)支架等重要零部件進(jìn)行有限元分析，計(jì)算出各零部件的應(yīng)力、應(yīng)變。為該翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

ANSYS Workbench；翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；ADAMS；大型配電房

0 前言

大型配電房大致外形尺寸為20 m×3 m×3 m，通常采用人工焊接，焊接順序?yàn)椋旱装搴附?四角立柱焊接-中間立柱方鋼焊接-薄鋼板的拼焊。在人工施焊過程中常遇到變形或質(zhì)量問題，要根據(jù)具體情況對缺陷部位進(jìn)行工藝調(diào)整或借助其他輔助工具進(jìn)行處理，因此工作效率較低。大型配電房成品總重量重達(dá)17 t左右，長度(22 m)方向超出常規(guī)尺寸。普通的車間起重設(shè)備采用通用L型翻轉(zhuǎn)變位機(jī)構(gòu)，由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)限制，在長度方向出現(xiàn)較大的撓度，嚴(yán)重影響后續(xù)工序質(zhì)量，即造成薄鋼板無法正常拼焊，因此，傳統(tǒng)的車間起重設(shè)備難以保證整體翻轉(zhuǎn)過程的同步和無變形，而且在吊裝翻轉(zhuǎn)過程中，也需要消耗大量的輔助用功時(shí)間。大型配電房的焊裝翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)能夠快速、高效的實(shí)現(xiàn)大型配電房焊裝。

該專用翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使工件焊縫處于最佳焊接位置，配合機(jī)械手焊接，以達(dá)到較為理想的焊接效果。本文通過對大型配電房焊裝翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的研究，利用ADAMS和ANSYS Workbench軟件對翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真，得到固定底座、翻轉(zhuǎn)支架和活動銷軸等重要零部件的應(yīng)力、應(yīng)變。為機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性、便捷性、高效性等提供了強(qiáng)有力的理論保證。

1 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及焊件模型

首先對配電房翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在UG中建立裝配體三維模型，并對模型進(jìn)行簡化，研究的重點(diǎn)是翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，分析靜力學(xué)時(shí)將焊件(配電房)簡化為一個(gè)長方形的剛體，導(dǎo)入ANSYS Workbench。主要步驟：簡化、導(dǎo)入模型-添加材料屬性-網(wǎng)格劃分-添加載荷和約束-進(jìn)行有限元分析-求得所需解和云圖-比較驗(yàn)證-優(yōu)化現(xiàn)有設(shè)計(jì)。圖1為簡化前的UG模型，約為17 t(成品質(zhì)量)的配電房通過七組翻轉(zhuǎn)支架支撐、固定，配電房兩端約兩米處分別設(shè)置有兩組液壓缸驅(qū)動裝置，通過液壓缸的伸縮運(yùn)動配合翻轉(zhuǎn)支撐支架底部的活動軸銷的往復(fù)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)工作平臺的翻轉(zhuǎn)。

圖1 UG模型Fig.1 UG model

將簡化后的配電房及翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的UG模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench后，具體分析步驟：(1)工位1對整體結(jié)構(gòu)分析，固定底座和翻轉(zhuǎn)支架只受配電房重力作用，產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力；(2)工位2配電房在重力作用下對翻轉(zhuǎn)支架的斜小平面與其貼合的固定底座上平面產(chǎn)生的應(yīng)變和應(yīng)力；(3)分析工位1和工位2之間位置，重要零部件的應(yīng)變和應(yīng)力。

七組翻轉(zhuǎn)支架和固定底座對配電房支撐定位作用。因此對翻轉(zhuǎn)支架和固定底座進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到其受到配電房重力的作用下的應(yīng)力、應(yīng)變。表1為所用材料的屬性。

表1 所用材料的屬性

2 整體結(jié)構(gòu)分析

分析靜力學(xué)時(shí)，為了減少不必要的計(jì)算可將配電房簡化為長方體，因此在劃分網(wǎng)格時(shí)候，網(wǎng)格尺寸增大以便于后面的計(jì)算速度。相對轉(zhuǎn)動的鉸鏈連接處，固定底座和翻轉(zhuǎn)支架減小網(wǎng)格的尺寸并對承壓部位的網(wǎng)格進(jìn)行人工優(yōu)化，從而能夠保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。

工位1即初始工位時(shí)，靜力學(xué)分析是對固定支架的底端方鋼的橫截面固定約束，整體加載重力，然后對翻轉(zhuǎn)支架和固定底座進(jìn)行應(yīng)力和應(yīng)變的分析，得到圖2所示總變形和最大應(yīng)力。主要變形和應(yīng)力集中在配電房投影在固定底座區(qū)域的方鋼上。

圖2 模型的整體應(yīng)力和應(yīng)變Fig.2 The model overall stress and strain

工位2在液壓缸的驅(qū)動下，固定底座和翻轉(zhuǎn)支架右端連接處鉸鏈的活動銷軸在氣缸的驅(qū)動下脫離工作位置，翻轉(zhuǎn)支架帶動固定在其上面的待焊工件繞左端的活動銷軸轉(zhuǎn)動，60 s后，翻轉(zhuǎn)支架左側(cè)達(dá)到一個(gè)翻轉(zhuǎn)支架45°的小平面，液壓缸停止伸出，并保持壓力恒定。翻轉(zhuǎn)支架對固定支架的作用力?？傻玫綉?yīng)力應(yīng)變云圖如圖3所示。在工位2，應(yīng)力和應(yīng)變主要集中在翻轉(zhuǎn)支架與固定底座結(jié)合面上。

圖3 工位2模型的應(yīng)力和應(yīng)變 Fig.3 Stress and strain of the station 2

3 重要零部件分析

3.1 翻轉(zhuǎn)過程

靜力學(xué)主要分析了工件在工位1和工位2位置受力情況，在工位1和工位2之間涉及到的動力學(xué)，其中包括三個(gè)鉸鏈轉(zhuǎn)動副和一個(gè)液壓缸移動副的運(yùn)動，對模型簡化為兩個(gè)翻轉(zhuǎn)支架和一個(gè)液壓缸驅(qū)動，一方面減少錯(cuò)誤的出現(xiàn)，另一方面較為貼合實(shí)際工況，導(dǎo)入到動力學(xué)分析軟件ADAMS進(jìn)行運(yùn)動仿真分析，翻轉(zhuǎn)支架在液壓缸的推動下，翻轉(zhuǎn)一定角度，即工件舉升角-時(shí)間變化曲線如圖4所示。

圖4 舉升角-時(shí)間變化曲線Fig.4 Lifting angle-time curve

以右端固定座活動銷軸為翻轉(zhuǎn)中心，翻轉(zhuǎn)支架繞其翻轉(zhuǎn)45°到達(dá)工位3，重心變化曲線如圖5所示，配電房質(zhì)心在縱向位置上(X軸)隨著舉升角度的增加后移；在橫向位置(Y軸)上無變化，說明質(zhì)心一直處于固定支架的橫向平面中，舉升過程質(zhì)心在Y軸方向無偏移；在垂向位置上(Z軸)隨著舉升角度增加在升高。整個(gè)配電房的質(zhì)心位置變化符合實(shí)際情況。

圖5 重心隨時(shí)間變化曲線Fig.5 Curve of the gravity center changing with time

3.2 建立目標(biāo)函數(shù)

設(shè)置點(diǎn)O作為坐標(biāo)原點(diǎn)，點(diǎn)A(N,K)為液壓缸頂部與翻轉(zhuǎn)支架通過銷軸鏈接的中心點(diǎn)。點(diǎn)B為翻轉(zhuǎn)整體的重心，重力為G，距Y軸的距離是P，β為液壓缸軸線與Y軸的夾角，點(diǎn)A處所受到的力可分解為Fax和Fay。在平面力的任意力系向點(diǎn)O(翻轉(zhuǎn)點(diǎn))簡化。如圖6所示，根據(jù)平面力系平衡方程分析翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)受力圖，∑Fx=0，∑Fy=0，∑Mo(F)=0。

圖6 翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)受力分析圖Fig.6 Force analysis of turnover structure

3.3 關(guān)鍵零部件進(jìn)行受力分析

3.3.1 固定座

固定座通過四個(gè)螺栓固定在各個(gè)翻轉(zhuǎn)支架的兩側(cè)，翻轉(zhuǎn)過程中承載配電房的重力。承壓側(cè)面形狀與配電房底板的H型鋼的凹面基本吻合，在翻轉(zhuǎn)機(jī)架運(yùn)動過程中，加緊定位的作用，同時(shí)是主要受力點(diǎn)，受力-時(shí)間變化曲線如圖7所示。

在初始位置固定座受力幾乎為零，隨時(shí)間的變化，液壓缸推動翻轉(zhuǎn)支架翻轉(zhuǎn)，配電房重心發(fā)生變化，其受理情況也隨之變化。如圖8所示固定座隨時(shí)間變化的應(yīng)力，兩垂直面的結(jié)合處是固定座最大應(yīng)力。

圖7 右端固定座側(cè)面受力隨時(shí)間變化曲線Fig.7 Force-time curve of the right holder side

圖8 右端固定座側(cè)面受力Fig.8 The right holder side stress

3.3.2 鉸鏈鏈接處相關(guān)零件

機(jī)構(gòu)在做翻轉(zhuǎn)過程中，通過七組翻轉(zhuǎn)支架和固定底座之間的鉸鏈相對轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)，因此，鉸鏈也是研究的主要對象。工位3時(shí)，翻轉(zhuǎn)支架繞固定底座右端鉸鏈翻轉(zhuǎn)，即得到右端底座支架與翻轉(zhuǎn)支架之間鉸鏈連接受力隨時(shí)間變化曲線情況如圖9所示。

圖9 右端底座支架與翻轉(zhuǎn)支架受力隨時(shí)間變化曲線Fig.9 Force-time curve of the right base support and turning support

鉸鏈鏈接處活動銷軸在翻轉(zhuǎn)過程中始終是關(guān)鍵零件，最大應(yīng)力分布圖如圖10a所示。對固定底座上面的固定座進(jìn)行分析，在工位1運(yùn)動至工位2過程中主要受到活動銷軸的壓力，受力部位主要位于固定座半圓的左半部分，具體應(yīng)力分布如圖10b所示。

圖10 右端鉸鏈連接處零件的應(yīng)力云圖Fig.10 Stress nephogram of the right hinge joint parts

3.3.3 液壓缸及翻轉(zhuǎn)支架

液壓缸伸出、推動翻轉(zhuǎn)支架實(shí)現(xiàn)配電房的變位，即翻轉(zhuǎn)支架與液壓缸鏈接處的鉸鏈為主要承力零部件。液壓缸與翻轉(zhuǎn)支架之間鉸鏈?zhǔn)芰﹄S時(shí)間變化曲線如圖11所示。翻轉(zhuǎn)支架在初始位置所受到的力等于集裝箱重力分配在各個(gè)翻轉(zhuǎn)支架的力，隨液壓缸伸出推動翻轉(zhuǎn)支架運(yùn)動，其受力隨時(shí)間變化情況呈下降趨勢。

圖11 鉸鏈?zhǔn)芰﹄S時(shí)間變化曲線Fig.11 Curve hinge stress changing with time

液壓缸為翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)提供動力源，將鉸鏈?zhǔn)芰﹄S時(shí)間變化曲線數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ANSYS軟件可到到液壓缸隨時(shí)間變化的應(yīng)力圖如圖12a所示，翻轉(zhuǎn)支架在機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)過程中起支撐固定作用，尤其在工位2和工位3時(shí)，45°的小平面承受到整個(gè)大型配電房力的重力作用，可能產(chǎn)生較大應(yīng)力和應(yīng)變，翻轉(zhuǎn)支架的應(yīng)力分布如圖12b所示。

圖12 相關(guān)部件應(yīng)力分析Fig.12 Stress analysis of hydraulic cylinder and turning support

4 結(jié)語

通過對實(shí)際配電房焊接工藝過程模型研究，設(shè)計(jì)出一套配合焊接的專用翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，便于實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)。利用UG建立三維模型，簡化、導(dǎo)入到動力分析軟件ADAMS中運(yùn)動仿真，將模型和仿真結(jié)果利用workbench對機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，得到整體結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵零部件變形和應(yīng)力情況，為翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供了可靠的理論基礎(chǔ)。

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Simulation analysis of turnover mechanism for welding large power distribution room

FU Jing-shun，XUE Yang

(College of Mechanical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)

The turnover mechanism for welding large power distribution room push the turning bracket through a hydraulic driving device. It made the workpiece which fixed on the bracket located in the best welding position to improve the welding quality. This paper established and simplified the turnover welding mechanism model, and using ADAMS to simulate motion process, and finite element analyzed mechanism whole body and holder, hinge, hydraulic turning support, etc. and obtained the stress and strain of the important parts. The calculation results provide theoretical basis for optimal designing of the turnover mechanism.

ANSYS Workbench; turnover mechanism; ADAMS; large power distribution room

2015-09-07；

2015-12-03

付景順(1963-)，男，沈陽人，工學(xué)博士，沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授，車輛工程系主任。主要研究方向：現(xiàn)代制造技術(shù)與精密測量，車輛安全、節(jié)能與環(huán)保技術(shù)，車輛智能檢測與故障診斷。

薛羊(1987-)，男，新鄉(xiāng)人，碩士研究生，機(jī)械工程，機(jī)械制造及其自動化方向。

TH137

A

1001-196X(2016)06-0086-05