某多功能靶標(biāo)安裝架仿真分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

于正亮 武晶

摘 要：某多功能靶標(biāo)采用緊湊式傳動(dòng)布局設(shè)計(jì)，靶標(biāo)安裝架既要承受靶標(biāo)運(yùn)行時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，同時(shí)用于靶標(biāo)的安裝固定，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與穩(wěn)定性將決定某多功能靶標(biāo)的安全性。安裝架造型復(fù)雜，加工成形手段包括焊接與常用切削加工。本文采用通過(guò)Solidworks三維設(shè)計(jì)軟件，建立了安裝架的初臺(tái)模型，針對(duì)加工成本與工藝合理性進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用Solidworks Simulation對(duì)優(yōu)化前后的產(chǎn)品在額定載荷下的應(yīng)力及變形等情況進(jìn)行了有限元分析，驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性與合理性。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;有限元分析;Solidworks Simulation;多功能靶標(biāo);安裝架

1 產(chǎn)品簡(jiǎn)介

某多功能靶標(biāo)設(shè)計(jì)中采用了電機(jī)通過(guò)減速器直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載（靶標(biāo)）的結(jié)構(gòu)布局，既能減少傳動(dòng)環(huán)節(jié)，又能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品較小的外形尺寸和較輕的質(zhì)量，有利于快速布設(shè)，靈活應(yīng)用，尤其適用于需要經(jīng)常變換訓(xùn)練場(chǎng)地、調(diào)整訓(xùn)練課題的應(yīng)用單位。

結(jié)構(gòu)布局中，安裝架是多功能靶標(biāo)的核心結(jié)構(gòu)部件，既用于支撐靶標(biāo)動(dòng)力與傳動(dòng)零部件，承載靶標(biāo)運(yùn)行時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，安裝架內(nèi)部還安裝有各類位置傳感器、靶夾類型識(shí)別傳感器、報(bào)靶傳感器等電氣部件，實(shí)現(xiàn)靶標(biāo)綜合狀態(tài)的檢測(cè)。

安裝架上部鏤空，減速器固定于安裝架一側(cè)，并在鏤空部分通過(guò)輸出軸及平鍵與靶夾連接法蘭相接;安裝架內(nèi)部及外側(cè)安裝有多功能靶標(biāo)控制與感應(yīng)所需的各種傳感裝置。某多功能靶標(biāo)與安裝架結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1所示。

根據(jù)傳動(dòng)布局及各機(jī)械、電氣部件的安裝要求，初步將安裝架設(shè)計(jì)成如圖 2所示的結(jié)構(gòu)，共由5種零件組成，各零件之間焊接連接。

經(jīng)過(guò)初樣試制裝配并驗(yàn)證，安裝架整體結(jié)構(gòu)功能滿足要求，但在加工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題：

由于件⑤造型復(fù)雜，加工工藝過(guò)程工序較復(fù)雜，導(dǎo)致整體制作成本偏高，對(duì)控制項(xiàng)目目標(biāo)成本的影響較大;

件⑤和件④之間的焊接加工導(dǎo)致較難保證二者形位公差，并易導(dǎo)致件⑤內(nèi)孔變形，需在焊接后二次加工。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)上述不足，需對(duì)安裝架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)?？紤]到產(chǎn)品預(yù)期產(chǎn)量較?。A(yù)測(cè)年產(chǎn)量﹤1000只），不適合使用鑄造或鍛造模具展開(kāi)后續(xù)生產(chǎn)，本次優(yōu)化保留依然考慮多零件焊接的結(jié)構(gòu)方式。對(duì)件④和件⑤重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，將件④延伸至與件⑤上平面重合，并將件⑤厚度相應(yīng)減薄。

優(yōu)化前的件⑤在完成整體輪廓加工后，需要多次裝夾以加工四周各長(zhǎng)方形孔。而優(yōu)化設(shè)計(jì)后的件⑤工藝加工性能得到明顯改善，一次裝夾后即可以完成產(chǎn)品整體外形加工，加工效率提升，加工成本下降明顯。

優(yōu)化設(shè)計(jì)后安裝架產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖 3所示。

3 仿真分析

利用Solidworks設(shè)計(jì)軟件的Simulation 插件，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)前后兩個(gè)部件進(jìn)行仿真分析。

根據(jù)設(shè)計(jì)輸入約定，靶標(biāo)預(yù)期應(yīng)用工況下，攜帶的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩為80N·m。仿真模型中，在件⑤右側(cè)端面上施加80N·m轉(zhuǎn)矩，在4個(gè)件①處施加固定約束后進(jìn)行有限元分析，對(duì)比優(yōu)化前后產(chǎn)品的應(yīng)力、應(yīng)變及位移情況如圖 4所示。

優(yōu)化前后安裝架最大應(yīng)力、應(yīng)變和位移對(duì)比數(shù)據(jù)如表 1所示。

從表 1可以看出，優(yōu)化設(shè)計(jì)前后安裝架結(jié)構(gòu)機(jī)械性能基本無(wú)變化，在額定負(fù)載條件下，整體結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度，處于彈性變形范圍內(nèi);結(jié)構(gòu)在額定扭矩作用下最大扭曲位移量為0.15mm，對(duì)靶標(biāo)整體工作無(wú)影響。

優(yōu)化設(shè)計(jì)后，對(duì)該部件進(jìn)行試制驗(yàn)證，試制過(guò)程表明：一是關(guān)鍵零件加工工藝得到簡(jiǎn)化;以件⑤在單軸加工中心上加工為例，優(yōu)化前需要6次裝夾才能完成對(duì)工件六個(gè)面的加工，而優(yōu)化后則僅需二次裝夾即可加工完成。二是焊接工藝得到優(yōu)化。如，件④和件⑤之間焊接部位由原先的單側(cè)長(zhǎng)焊縫優(yōu)化為周邊多點(diǎn)均布短焊縫，焊接后變形量減小。

結(jié)語(yǔ)：通過(guò)對(duì)安裝架結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，和原有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相比，保證了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，將最大應(yīng)力、最大應(yīng)變和最大位移均控制在了合理范圍。同時(shí)提升了其加工工藝的合理性，改變了焊接方式，簡(jiǎn)化了工藝流程，單件產(chǎn)品成本降幅達(dá)37%，較好地實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳永當(dāng)，鮑志強(qiáng)，任慧娟，王鈺鑫. 基于Solidworks Simulation的產(chǎn)品設(shè)計(jì)有限元分析[J]. 計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2012年09期.

[2] 楊明亮，郎榮臻，程潞樣. 基于Solidworks Simulation的橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)CAD/CAE二次開(kāi)發(fā)技術(shù)研究[J]. 起重運(yùn)輸機(jī)械，2016年07期.

[3] 范江峰，孫中偉，李丙堯. Solidworks Simulation在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪模態(tài)分析中的應(yīng)用[J]. 智能制造，2016年08期.

作者簡(jiǎn)介：

于正亮（1971- ），江蘇人，本科，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事訓(xùn)練靶標(biāo)靶場(chǎng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和項(xiàng)目管理。

（總參謀部第六十研究所，江蘇 南京 210016）