范明星， 蘇建新， 呂玉湖

(1.開封大學 機械與汽車工程學院， 河南 開封 475005；2.河南科技大學 機電工程學院， 河南 洛陽 471003； 3.開封大學 閥門學院， 河南 開封 475005)

測試平臺是許多領域的必用裝備之一[1]。我國的測試平臺設計技術起步較晚，雖然近年來隨著各領域工業(yè)自動化水平的提升得到了發(fā)展，但與發(fā)達國家相比還有一定的差距[2]。與歐美國家相比，我國測試平臺相關企業(yè)的自主創(chuàng)新能力、競爭能力、關鍵零部件的加工技術水平還相差較大。本文針對一種升降回轉測試平臺底座，利用SolidWorks軟件進行三維建模；為了檢驗其安全性，在Simulation模塊中進行有限元分析；同時在保證測試平臺安全的情況下，對測試平臺的底座結構進行優(yōu)化設計。

1 升降回轉測試平臺的總體結構

作為本文研究對象的底座，安裝在升降回轉測試平臺上。該測試平臺是為滿足戶外測試作業(yè)需要而設計的。它能夠上下移動500 mm(即最大升降行程)，旋轉360°；適用于質(zhì)量為15 kg、長度為280 mm、寬度為250 mm、高度為300 mm的被測試件。其轉速范圍為2～10 r/min。該測試平臺包括旋轉裝置和升降裝置兩部分[3]。升降回轉測試平臺的總體結構如圖1所示。

圖1 升降回轉測試平臺的總體結構Fig. 1 Overall structure design for the lifting and rotary testing platform

2 底座結構的有限元分析

在升降回轉測試平臺中，底座決定了整個平臺的平穩(wěn)性。因此，對升降回轉測試平臺底座結構進行有限元分析，了解底座結構性能的優(yōu)劣，很有意義。在分析前，應對其三維模型進行合理簡化。鑒于該底座為四分之一對稱結構，為減小計算量，可適當對三維模型進行簡化，只保留模型的四分之一結構[4]。建立模型后，可通過有限元仿真對底座結構進行應力和應變分析[5]。

2.1 方形底座結構

對方形底座結構進行合理簡化，并設定了邊界條件。由于只是分析升降回轉測試平臺的底座結構，因此可將升降回轉測試平臺的其余零件視為剛性件，以減少計算量。

首先對底座結構進行網(wǎng)格劃分，施加載荷，并將橫向力加載到直線軸承上，豎向力加載到滾珠絲桿螺母上；然后為每個對稱平面添加對稱約束，并在與底座底部相連的支腳下表面添加固定約束；最后進行靜力學分析。圖2所示為方形底座四分之一結構的應力云圖和位移云圖。

(a) 應力云圖 (b) 位移云圖圖2 方形底座四分之一結構的應力云圖和位移云圖Fig. 2 Stress nephogram and displacement nephogram of quarter structure for the square base

由圖2可以看出，方形底座所受應力較大，相應位移也較大，實際使用中平穩(wěn)性較差，需要進行結構優(yōu)化。最簡單的結構優(yōu)化方案是增大方形底座框架和底板的厚度?？稍谶m當增大底座框架和底板的厚度之后，再次導入模型，在邊界條件不變的情況下重新進行仿真分析。分析結果顯示，位移可減少至原來的三分之一，但底座質(zhì)量增加了43.32%，增大了材料的使用量。因此，增加底座厚度的改進方法并不可行。

2.2 圓形底座結構

針對圓形底座結構，設置與方形底座結構相同的邊界條件，進行靜力學分析。圖3所示為圓形底座四分之一結構的應力云圖和位移云圖。圖4所示為圓形底座四分之一結構的質(zhì)量屬性仿真結果。

(a) 應力云圖 (b) 位移云圖圖3 圓形底座四分之一結構的應力云圖和位移云圖Fig. 3 Stress nephogram and displacement nephogram of quarter structure for the circular base

圖4 圓形底座四分之一結構的質(zhì)量屬性仿真結果Fig. 4 Mass properties of quarter structure for the circular base

對比可知：在質(zhì)量相近的情況下，采用圓形底座結構比方形底座結構的最大應力降低了50.03%，最大位移減小了67.39%；圓形底座結構比方形底座結構的受力情況有很大改善。因此，圓形底座結構更符合設計要求，本文進行升降回轉測試平臺底座結構優(yōu)化設計時，只針對圓形底座結構。

3 底座結構的優(yōu)化設計

3.1 底座中橫梁的優(yōu)化設計

底座中橫梁主要承受豎直向下力的作用。為增強底座的抗變形能力，可在底座的橫梁下表面增設加強筋[6-7]；同時，為避免過多耗用材料，應適當減小橫梁的寬度和厚度。為便于安裝升降和回轉構件，在橫梁安裝位置設計了凸臺結構。結構優(yōu)化前后的橫梁模型如圖5所示。

(a) 優(yōu)化前 (b) 優(yōu)化后 圖5 結構優(yōu)化前后的橫梁模型Fig. 5 Beam model before and after structural optimization

將橫梁結構優(yōu)化后的底座模型導入Simulation模塊，設定邊界條件，對橫梁優(yōu)化后的底座結構進行靜力學分析，發(fā)現(xiàn)橫梁優(yōu)化后底座結構的應力和位移都比優(yōu)化前有所減小，其中最大應力減小了37.84%。雖然增設加強筋和凸臺會在一定程度上增大結構質(zhì)量，但對比方形底座結構，其總質(zhì)量仍然較小。

3.2 底座中框架的優(yōu)化設計

3.2.1 稀疏大孔改為密集小孔

分析可知，優(yōu)化底座中橫梁后，在使用升降回轉測試平臺時，其底座中框架的底部與頂部受力較大而中間部位受力較小。若能在其中間部位去除一些材料，則可降低底座的質(zhì)量，節(jié)省原材料[8]。因此，本文將原底座框架的稀疏大孔改為小孔，通過增加小孔數(shù)量來減小圓形底座結構的框架質(zhì)量；同時，加大底部小孔與底座底部的距離，減小小孔之間的距離，以實現(xiàn)底座結構的輕量化設計。稀疏大孔改為密集小孔前后的四分之一框架模型如6所示。

(a) 優(yōu)化前 (b) 優(yōu)化后 圖6 稀疏大孔改為密集小孔后的四分之一框架模型Fig. 6 A quarter of the frame model before and after changing sparse macropore into dense pore

采用SolidWorks軟件的質(zhì)量屬性和設計洞察功能，可得出圖7所示稀疏大孔改為密集小孔后四分之一框架的質(zhì)量屬性仿真結果，以及圖8所示稀疏大孔改為密集小孔后四分之一框架的設計洞察結果。

圖7 稀疏大孔改為密集小孔后四分之一框架的質(zhì)量屬性仿真結果Fig. 7 Mass properties for quarter frame after changing sparse macropore into dense pore

圖8 稀疏大孔改為密集小孔后四分之一框架的設計洞察結果Fig. 8 Result of design insights for quarter frame after changing sparse macropore into dense pore

由仿真結果可知：將框架從稀疏大孔改為密集小孔后，應力和質(zhì)量均可減小，其中質(zhì)量減小了8.29%；但位移會增大，改后比改前約增大8.29%。

3.2.2 T字形改為工字形加強筋

在加入引力邊界條件后，底座框架的位移會增大。為了增強框架承受彎矩作用的能力，本文在將底座框架稀疏大孔改為密集小孔的前提下，采用工字形加強筋來替代原來的T字形加強筋，進一步對底座中框架進行了優(yōu)化。圖9所示為具有工字形加強筋的四分之一框架的應力云圖和位移云圖。圖10、圖11所示分別為相應的設計洞察結果和質(zhì)量屬性仿真結果。

(a) 應力云圖 (b) 位移云圖圖9 具有工字形加強筋的四分之一框架的應力云圖和位移云圖Fig. 9 Stress nephogram and displacement nephogram of quarter frame with I-shaped stiffeners

圖10 具有工字形加強筋的四分之一框架的設計洞察結果Fig. 10 Result of design insights for quarter frame with I-shaped stiffeners

從圖9-圖11可以看出：結構優(yōu)化后，底座中框架的位移比優(yōu)化前減小了2.45%，最大應力比優(yōu)化前增大了0.53%，最大應力出現(xiàn)在應力奇異點處，對底座結構的性能影響不大；加強筋改變后，雖然框架的質(zhì)量比優(yōu)化前增大了1.88%，但對底座整體質(zhì)量的影響很小。

3.3 優(yōu)化設計結果

本文根據(jù)有限元分析結果，設計升降回轉測試平臺底座的結構和尺寸，并將其余零件裝配好，最終確定了圖12所示的升降回轉測試平臺整體結構。結果表明，結構優(yōu)化設計有效增大了底座的可靠性，提高了材料的利用率，降低了制造成本。

圖11 具有工字形加強筋的四分之一框架的質(zhì)量屬性仿真結果Fig. 11 Mass properties of quarter frames with I-shaped stiffeners

圖12 底座優(yōu)化后的升降回轉測試平臺整體結構Fig. 12 Overall structure of lifting and rotary test platform after base optimization

4 結語

本文針對升降回轉測試平臺的設計方案，利用SolidWorks軟件構建了三維模型，為確保測試平臺的安全性，在SolidWorks Simulation模塊中對底座裝配體進行了有限元分析，在確保升降回轉測試平臺使用安全的前提下，對底座結構進行了優(yōu)化。優(yōu)化后的升降回轉測試平臺結構簡單、制作成本低、實用性強，可以應用于不同的戶外環(huán)境。在測試平臺實際生產(chǎn)中，主要零件的加工精度、裝配精度對升降回轉測試平臺的安全性和平穩(wěn)性會產(chǎn)生一定影響，而結構設計需考慮多方面的影響，難免有不足之處，因此應不斷地進行優(yōu)化。