邵磊磊，陶 曄，陳 超，張 捷

(1．揚州大學機械工程學院，江蘇揚州 225000)

(2．張家港市新亨通機械有限公司，江蘇張家港 215000)

履帶起重機結(jié)構(gòu)件分為底座、平臺、左履帶架、右履帶架4部分，其中底座是非常重要的結(jié)構(gòu)件，處于承載上方的平臺和連接兩側(cè)履帶架的關(guān)鍵位置。底座的豎直焊縫較多，并且位置復(fù)雜，焊接質(zhì)量難以保證。焊接位置(立焊、仰焊和水平焊)對焊接效率和焊接質(zhì)量影響很大，水平焊的焊接難度最小、效率最高，在相同條件下焊接質(zhì)量最好。因此，采用一種對焊接工件進行翻轉(zhuǎn)變位，將工件上所需焊接的焊縫調(diào)整到水平焊位置的變位裝置。針對履帶起重機結(jié)構(gòu)件中底座焊接件的焊接作業(yè)，采用虛擬樣機的方法設(shè)計一臺專用變位機，運用Solid Works 2010三維設(shè)計軟件進行變位機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計完成后將模型導入有限元分析軟件MIDAS，生成有限元模型，在完成前處理之后進行求解，得到各階固有頻率和振型，模擬出變位機的變形結(jié)果，為變位機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進設(shè)計提供參考。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計和三維模型的建立

1．1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

焊接變位機屬于焊接輔助機械中的焊件變位機械，根據(jù)其結(jié)構(gòu)不同分為伸臂式、座式和雙座式3種［1］。根據(jù)現(xiàn)場焊接條件要求，底座焊接件質(zhì)量為15t，焊接件扁平且質(zhì)量分布在四周，回轉(zhuǎn)半徑較大，為5 800mm。基于以上條件，本次設(shè)計決定采用雙座雙回轉(zhuǎn)的形式，結(jié)構(gòu)為:兩側(cè)固定在地面上的機架，機架上安裝固定機箱，兩端機箱通過回轉(zhuǎn)支承連接中央的U形回轉(zhuǎn)臂，回轉(zhuǎn)臂由兩根H型鋼組成的大梁、回轉(zhuǎn)臂中央的回轉(zhuǎn)支承及其上方的圓形裝夾盤構(gòu)成，底座焊接件通過裝夾盤上的夾具定位裝夾固定，并且隨回轉(zhuǎn)臂進行360°雙回轉(zhuǎn)。因此，雙回轉(zhuǎn)是通過頭部機箱和U形架中間的兩套傳動系統(tǒng)來實現(xiàn)。

1．2 三維模型的建立

三維模型的建立采用三維設(shè)計軟件Solid-Works。首先建立底座焊接件的三維模型;然后通過軟件求解得到X，Y和Z 3個方向的重心位置和轉(zhuǎn)動慣量;最后通過底座焊接件的重心位置來確定整個回轉(zhuǎn)臂的回轉(zhuǎn)中心位置，從而保證在裝夾上底座焊接件以后整個中央部分的回轉(zhuǎn)中心和兩側(cè)回轉(zhuǎn)支承的回轉(zhuǎn)中心重合，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定、回轉(zhuǎn)過程平穩(wěn)無振動。變位機的三維模型如圖1所示。

2 MIDAS有限元分析

為了便于對變位機進行有限元靜態(tài)和模態(tài)分析，需對三維模型進行簡化和刪除，主要是簡化一些復(fù)雜的細小結(jié)構(gòu)，同時刪除一些不必要的特征、零件和接觸。在變位機中主要是刪除圓角、倒角、圓弧過渡、螺栓和螺紋孔等。模型簡化后如圖2所示。

圖1 變位機三維模型

圖2 簡化后變位機三維模型

2．1 FE模型的建立

FE(Finite Element)模型的建立和分析過程主要包括前處理、求解和后處理3部分［2］。前處理包括三維模型的導入、材料和單元類型的選擇以及三維網(wǎng)格的劃分;求解是通過軟件內(nèi)部求解器的運算來完成的;后處理是將所做的分析結(jié)果輸出。

有限元建模是有限元分析過程的關(guān)鍵，在有限元分析中為前處理過程，其主要任務(wù)是對結(jié)構(gòu)的離散、結(jié)構(gòu)模型的建立、單元類型和數(shù)量的選擇、單元特征的定義、單元質(zhì)量檢查以及模型邊界條件的定義，這些任務(wù)即定義模型的幾何尺寸、材料、載荷及約束等各方面的特性［3］。

本次分析的焊接變位機是由鋼結(jié)構(gòu)焊接而成，選擇的材料Q345B的屬性為:彈性模量為2．06×105MPa，泊松比為 0．3，密度為 7．85g/cm3，在考慮網(wǎng)格單元的精度和分析運算速度的情況下，單元邊界尺寸定為40mm，MIDASNFX采用混合網(wǎng)格劃分技術(shù)來劃分網(wǎng)格，劃分后的模型同時具有四面體和六面體兩種單元，生成了68552個節(jié)點和93371個網(wǎng)格單元，如圖3所示。

2．2 線性靜態(tài)分析

圖3 變位機有限元模型

對變位機的線性靜態(tài)分析是在回轉(zhuǎn)臂水平向上和回轉(zhuǎn)臂水平向下兩個工位進行，分別得到兩種情況下回轉(zhuǎn)臂的受力變形。工件為X形框架結(jié)構(gòu)，重心位于X形結(jié)構(gòu)中心距離底部341mm處，裝夾工件時將工件中心與圓形裝夾盤中心對齊后裝夾。工件質(zhì)量為15t。在這兩種情況下，變形最大部位在圓形裝夾盤以及回轉(zhuǎn)臂的中間位置。具體變形部位和變形參數(shù)如圖4所示。從分析結(jié)果可以看出，在水平向上狀態(tài)下，回轉(zhuǎn)臂在裝夾底座后變形量為4．69mm;在水平向下狀態(tài)下，回轉(zhuǎn)臂在裝夾底座后變形量為5．38mm。由此可知，在水平向下狀態(tài)下的變形量比較大，初步分析其原因是在回轉(zhuǎn)臂中央上側(cè)和圓形裝夾盤連接的部位安裝有加強板，而在下側(cè)沒有安裝加強板，從而導致回轉(zhuǎn)臂在兩種狀態(tài)下的變形量有差異。

2．3 模態(tài)分析

模態(tài)分析的經(jīng)典定義是:將線性定常系統(tǒng)振動微分方程組中的物理坐標變換為模態(tài)坐標，使方程組解耦，成為一組以模態(tài)坐標及模態(tài)參數(shù)描述的獨立方程，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)［4］。在工程實際中動載荷主要分為3種:周期載荷、沖擊載荷和隨機載荷。在結(jié)構(gòu)動力學分析中動載荷分為4種:零、周期載荷、沖擊載荷和隨機載荷。模態(tài)分析時載荷為零［5］。模態(tài)分析的目的是為了確定所設(shè)計的變位機的固有頻率和模態(tài)振型等振動特性，與外部載荷和內(nèi)部阻尼無關(guān)，因此在空載、無阻尼的情況下進行，工件質(zhì)量對求解結(jié)果不存在影響。

圖4 變位機靜態(tài)受力變形

典型的無阻尼模態(tài)分析求解的基本方程如下:

式中:［K］為剛度矩陣;{Φi}為第i階模態(tài)的振型向量(特征向量);［M］為質(zhì)量矩陣;ωi為第i階模態(tài)的固有頻率，為特征值。

在一個機械系統(tǒng)的各階振型中，相對于高階振型，低階振型對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響比較大，對變位機進行模態(tài)分析時求解其前五階固有頻率和相應(yīng)的主振型，并對其前三階主振型進行主要說明。

變位機的前五階固有頻率見表1。

表1 模態(tài)分析結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果，焊接變位機第一階模態(tài)振型為:回轉(zhuǎn)臂向上彎曲，裝夾盤向回轉(zhuǎn)臂一端翻轉(zhuǎn)，最大位移在回轉(zhuǎn)臂中部位置(如圖5所示)。焊接變位機第二階模態(tài)振型為:回轉(zhuǎn)臂向上彎曲，裝夾盤向回轉(zhuǎn)臂另一端翻轉(zhuǎn)，最大位移在回轉(zhuǎn)臂中部位置(如圖6所示)。焊接變位機第三階模態(tài)振型為:圓形裝夾盤沿著回轉(zhuǎn)臂中心線進行翻轉(zhuǎn)，兩根回轉(zhuǎn)臂一根向上彎曲，一根向下彎曲，最大位移在圓形裝夾盤兩側(cè)邊緣位置(如圖7所示)。從分析結(jié)果可以看出，變位機的固有頻率大于500Hz，最大變形位于回轉(zhuǎn)臂中部位置。

圖5 變位機一階振型

圖6 變位機二階振型

圖7 變位機三階振型

3 結(jié)束語

通過Solid Works和MIDAS聯(lián)合設(shè)計仿真，對變位機進行靜態(tài)和模態(tài)分析，得到靜態(tài)形變以及各階固有頻率和各階主振型。從分析結(jié)果可以看出，變位機的靜態(tài)最大變形和最大位移都發(fā)生在回轉(zhuǎn)臂中部位置。為了減小變形，建議在回轉(zhuǎn)臂中部位置增加加強筋或選用更大型號的H型鋼。有限元模態(tài)分析的結(jié)果為焊接變位機的機身結(jié)構(gòu)改進和優(yōu)化提供了參考，同時也為其故障診斷提供了依據(jù)。

［1］ 王政．焊接工裝夾具及變位機械——性能·設(shè)計·選用［M］．北京:．機械工業(yè)出版社，2001．

［2］ 于亞婷，杜平安，王振偉．有限元法——原理、建模及應(yīng)用［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2004．

［3］ 張波．ANSYS有限元數(shù)值分析原理與工程應(yīng)用［M］．北京:清華大學出版社．2005．

［4］ 傅志方．模態(tài)分析理論與應(yīng)用［M］．上海:上海交通大學出版社，2000．

［5］ 包世華．結(jié)構(gòu)動力學［M］．武漢:武漢理工大學出版社，2005．