基于Stewart平臺的拉伸機舉升機構(gòu)優(yōu)化分析

李占賢，董珈皓，張小川

(1.華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063210；2.曹妃甸職業(yè)技術(shù)學院，河北 唐山 063200)

0 引言

隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，人們對能源的需求量日益增多，核能因其具有高效清潔等優(yōu)點而備受人們關(guān)注。核能是通過核反應(yīng)從原子核釋放的能量，原子核并不是永不枯竭的，在核電站內(nèi)，每過一段時間就需要對核反應(yīng)堆進行停機換料。在此期間，需要打開和關(guān)閉反應(yīng)堆壓力容器，螺栓拉伸機主要用于反應(yīng)堆壓力容器打開或關(guān)閉時主螺栓組件的吊裝、運輸、安裝、預(yù)緊和拆卸工作[1]。

在螺栓拉伸機工作過程中，舉升機構(gòu)的各部件之間存在相互影響的現(xiàn)象，遂基于Stewart平臺，對螺栓拉伸機舉升機構(gòu)進行改進創(chuàng)新。現(xiàn)已完成螺栓拉伸機機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，為驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，本文對整機關(guān)鍵位姿進行有限元分析，以檢驗各受力部件的結(jié)構(gòu)強度，為舉升機構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

1 舉升機構(gòu)結(jié)構(gòu)

螺栓拉伸機舉升機構(gòu)運動需要6個自由度，Stewart平臺能夠?qū)崿F(xiàn)空間內(nèi)6個自由度的運動，完全可以滿足拉伸機的實際動作要求。Stewart平臺共包括一個動平臺、一個靜平臺、六個支腿和支腿與動靜平臺相連接的虎克鉸或球鉸[2]。上平臺與支腿采用虎克鉸連接，受安裝空間限制，遂將虎克副拆分為兩個旋轉(zhuǎn)副；下平臺與支腿采用球副連接，大型球鉸摩擦阻力大且內(nèi)部間隙較大，運動精度不高，螺栓拉伸機運動精度要求較高，遂將球副拆分為轉(zhuǎn)動副與虎克副；支腿受力較大，電動缸無法滿足其強度要求，遂采用絲杠提升機帶動上平臺運動。舉升機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 有限元分析

舉升機構(gòu)有限元分析是在不考慮慣性和阻尼影響的情況下，分析各部件在額定載荷作用下的應(yīng)力與形變[3]。ANSYS Workbench是新一代仿真模擬環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)與SolidWorks間的無縫連接[4]。

圖1 舉升機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

使用SolidWorks對螺栓拉伸機舉升機構(gòu)初始位姿進行建模，并對各部件材質(zhì)進行配置。在Solid Works菜單欄點擊ANSYS Workbench可直接跳轉(zhuǎn)到分析軟件中，對下平臺施加固定約束，在上平臺上施加豎直向下的額定載荷，之后對模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)為56 324，節(jié)點數(shù)為106 781，網(wǎng)格的疏密程度會直接影響到計算結(jié)果的精度。

首先對上平臺處于最上端并與下平臺同心且平行的情況(即初始位姿)進行分析，此時定義為位姿1，分析結(jié)果如圖2所示。最大應(yīng)力與應(yīng)變出現(xiàn)在支腿上，最大應(yīng)力達到293.7 MPa，為絲杠提升機的選型提供了理論基礎(chǔ)；最大變形為0.75 mm，發(fā)生在上平臺上，對整機的運行不構(gòu)成影響。

其次對上平臺處于最上端且上平臺運動到運動范圍邊界的情況進行分析，此時定義為位姿2，在SolidWorks中對原始模型的上平臺進行移動與轉(zhuǎn)動，完成之后在ANSYS點擊Solve按鈕，即可得到最新分析結(jié)果，如圖3所示。此時，6個支腿受力不均，最大應(yīng)力與應(yīng)變發(fā)生在下平面虎克鉸上，應(yīng)力最大值為304.37 MPa，這對虎克鉸材質(zhì)的確定提供了理論基礎(chǔ)；最大形變同樣發(fā)生在上平臺上，達到3.11 mm。

圖2 位姿1有限元分析結(jié)果

圖3 位姿2有限元分析結(jié)果

最后對上平臺處于最下端且上平臺運動到運動范圍邊界的情況進行分析，此時定義為位姿3，在SolidWorks中對原始模型的上平臺進行移動與轉(zhuǎn)動，完成之后在ANSYS點擊Solve按鈕，即可得到最新分析結(jié)果，如圖4所示。此時，6個支腿受力不均，最大應(yīng)力與應(yīng)變發(fā)生在上平臺鉸鏈上，應(yīng)力最大值為225.6 MPa，為鉸鏈材質(zhì)的確定提供了理論基礎(chǔ)；最大變形同樣發(fā)生在上平臺上，達到5.55 mm。

圖4 位姿3有限元分析結(jié)果

3 結(jié)語

通過ANSYS有限元分析可知Stewart平臺各部件的應(yīng)力與應(yīng)變值，為各部件的材質(zhì)選型奠定了基礎(chǔ)。在各個位置，上平臺都發(fā)生了一些形變，在極限位置時的最大變形為5.55 mm，這對整機的運行會造成較小的影響，在控制程序中添加補償值，可減小變形所帶來的影響。由分析可知，Stewart平臺結(jié)構(gòu)符合設(shè)計要求，該項研究為樣機的進一步優(yōu)化與研制提供了依據(jù)。

參考文獻：

[1] 朱成軍.整體主螺栓拉伸機在AP1000應(yīng)用的可行性分析[J].設(shè)備管理與維護,2016(9):80-81.

[2] 趙潔修,胡德計.Stewart六自由度動平臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].機械工程與自動化,2014(5):11-13.

[3] 張海偉,李建國.基于Stewart平臺的并聯(lián)機床靜剛度分析[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2015(6):42-43，57.

[4] 王在偉,焦青.SolidWorks與ANSYS之間的數(shù)據(jù)交換方法研究[J].煤礦機械,2011,32(9):248-250.