基于ANSYS的手套包裝機輸送機構(gòu)電機支架設(shè)計分析

楊承鑫 蔡吉飛 房瑞明

摘要：為了合理布置電機在手套包裝機輸送機構(gòu)中的位置并且保證電機固定后的穩(wěn)定性，需要對電機支架進行設(shè)計分析。利用三維建模軟件Solidworks建立電機支架模型，保存為Parasolid格式導(dǎo)入Ansys進行仿真分析，第一次導(dǎo)入的電機支架直角模型由于應(yīng)力奇異原因無法判斷強度條件是否滿足，將直角模型改為圓角模型后重新導(dǎo)入Ansys進行仿真分析，得到應(yīng)力值與變形值，雖然強度條件滿足，但是變形量較大，達到0.4mm，在電機支架兩側(cè)各添加加強筋板以減少電機支架的變形量，再次導(dǎo)入Ansys進行仿真分析，使電機支架的變形量減小到0.04mm。

關(guān)鍵詞：電機支架；應(yīng)力奇異；變形量；應(yīng)力

中圖分類號：TB48；TB486 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1400 （2021） 06-0021-06

Design and Analysis of Motor Bracket for Conveying Mechanism of Glove Packaging Machine Based On ANSYS

YANG Cheng-xin， CAI Ji-fei， FANG Rui-ming

（Beijing Institute of Graphic Communication， Beijing 102600， China）

Abstract： In order to reasonably arrange the position of the motor in the glove automatic collecting mechanism and ensure the stability of the motor after fixing， it is necessary to design and analyze the motor bracket. The three-dimensional modeling software Solidworks is used to establish the motor bracket model， save it in Parasolid format and import it into Ansys for simulation analysis. The right-angle model of the motor bracket imported for the first time cannot judge whether the strength condition is satisfied due to stress singularity. After changing the right-angle model into a fillet model， it is imported into Ansys again for simulation analysis to obtain stress value and deformation value. Although the strength condition is satisfied， However， the deformation is large， reaching 0.4 mm. Reinforcing rib plates are added on both sides of the motor bracket to reduce the deformation of the motor bracket. The deformation of the motor bracket is reduced to 0.04mm after being imported into Ansys for simulation analysis.

Key words： motor bracket； stress singularity； deformation amount； stress

2020年初，新型冠狀病毒感染肺炎疫情暴發(fā)，隨后在全球蔓延，醫(yī)用手套成為了這次新冠病毒肺炎疫情防控中的關(guān)鍵防控物資之一，醫(yī)用手套的需求量大幅增加，醫(yī)用手套的氣密性檢測效率和質(zhì)量的提高有著巨大的市場。目前國內(nèi)開發(fā)的半自動手套檢測設(shè)備檢測完的手套都是隨機掉落在一個集裝箱里面，后期需要大量人力和時間對其進行整理，但是市場上沒有對檢測完成的手套進行整理的設(shè)備，迫切需要一套便于提高成品手套包裝效率的設(shè)備[1，2]。

將檢測完成得到的成品手套規(guī)整地輸送給手套包裝機，輸送機構(gòu)平穩(wěn)輸送就起著至關(guān)重要的作用，動力裝置是手套包裝機輸送機構(gòu)的核心裝置之一。因為手套輸送機構(gòu)的電機放置位置與空間有一定限制，而且電機固定后的穩(wěn)定性也有一定限制，因此對電機支架的設(shè)計要求就比較嚴格，根據(jù)工廠要求，為了避免電機支架的變形過大使電機、減速機與軸的連接件頻繁出現(xiàn)故障影響手套自動收取設(shè)備工作效率，在滿足強度條件下，電機支架的變形最好控制在0.1mm以內(nèi)。

利用三維建模軟件Solidworks建立電機支架模型，保存為Parasolid格式導(dǎo)入Ansys[3，4]進行仿真分析，第一次導(dǎo)入的電機支架直角模型由于應(yīng)力奇異[5，6，7，8，9]原因無法判斷強度條件是否滿足，將直角模型改為圓角模型后重新導(dǎo)入Ansys進行仿真分析，得到應(yīng)力值與變形值，雖然強度條件滿足，但是變形量較大，達到0.4mm，在電機支架兩側(cè)各添加加強筋板以減少電機支架的變形量，再次導(dǎo)入Ansys進行仿真分析，使電機支架的變形量減小到0.04mm，達到工廠要求的標(biāo)準(zhǔn)。

1 電機支架模型的建立

利用三維建模軟件Solidworks建立手套包裝機輸送機構(gòu)和電機支架模型，并建立配合關(guān)系，如圖1，2所示。

2 有限元靜力學(xué)分析

2.1 模型導(dǎo)入與參數(shù)設(shè)置

將保存好的Parasolid格式電機支架文件導(dǎo)入 Ansys Workbench，新建電機支架材料為冷軋鋼板，密度設(shè)置為7800Kg/m3，彈性模量為2.1*1011Pa，泊松比設(shè)置為0.28，如圖3所示。

2.2 載荷施加與網(wǎng)格劃分

從圖1可以看出電機支架一端被固定在墻板上，另一端與減速機、電機相連接，電機支架本身變形對聯(lián)軸器影響較大，在保證有限元分析模型正確的前提下，為了節(jié)省計算資源，提高計算速度，只將電機支架摘出來進行有限元靜力學(xué)分析。將電機支架與墻板接觸的面固定，將電機與減速機簡化，按照實際重量以500N載荷的形式施加到電機支架的另一端，如圖4，5所示。為了減小網(wǎng)格劃分精度對分析結(jié)果的影響，分別按照5mm，4mm，3mm，2mm，1mm，0.5mm的精度劃分網(wǎng)格。

2.3 求解分析

對5mm， 4mm， 3mm， 2mm， 1mm， 0.5mm等不同精度網(wǎng)格分別進行求解，分別得到最大變形值與最大應(yīng)力值。

從表1中數(shù)據(jù)可以已看出，隨著網(wǎng)格精度的不斷提高，電機支架的應(yīng)力值不斷增大，變形值雖然也在變化，但是變形量的波動卻非常小。

根據(jù)應(yīng)力奇異的特性即應(yīng)力奇異點一般出現(xiàn)在剛性約束和尖角處、受力體由于幾何關(guān)系，在求解應(yīng)力函數(shù)的時候出現(xiàn)的應(yīng)力無窮大分析可知電機支架可能在尖角處存在著應(yīng)力奇異。

根據(jù)實際情況可預(yù)測到最大應(yīng)力位置在遠離施加載荷的方向，且距離越遠，應(yīng)力越大。為了避免應(yīng)力奇異對有限元分析結(jié)果的影響，將電機支架的直角模型更改為2mm的圓角，之后再進行有限元分析，因為圓角處距離施加載荷位置最遠，即應(yīng)力最大。單獨查看圓角處應(yīng)力值。

3 圓角電機支架靜力學(xué)有限元分析

將電機支架的直角改為圓角如圖6所示，其余預(yù)處理條件不作更改，再次進行有限元分析，不同網(wǎng)格精度下變形與應(yīng)力結(jié)果如圖7，8所示。

3.1 不同網(wǎng)格精度下的應(yīng)力結(jié)果

3.2 不同網(wǎng)格精度下的變形結(jié)果

從表2數(shù)據(jù)可以看出，在電機支架為圓角下，隨著網(wǎng)格精度的提高，電機支架的變形值基本穩(wěn)定在0.428mm，即電機支架的變形受網(wǎng)格精度的影響較??；電機支架應(yīng)力值雖然也在增大，但是增長趨勢逐漸減小，逐漸收斂到81Mpa與82Mpa附近，可見用圓角取代直角避免了應(yīng)力奇異的干擾，可較為準(zhǔn)確得出電機支架的最大應(yīng)力值，為判斷電機支架是否滿足強度條件提供了準(zhǔn)確的判斷依據(jù)。

電機支架的材料為冷軋鋼板，屈服強度為220Mpa，電機支架的最大應(yīng)力值為82Mpa，遠遠低于材料的屈服強度；但是電機支架的變形量為0.428mm，與工廠要求的變形量控制在0.1mm以內(nèi)有較大改進空間，為了在不降低電機支架強度的條件下，使電機支架的變形量控制在0.1mm以內(nèi)，考慮在電機支架兩外側(cè)各添加2mm寬度的加強筋，之后再重新導(dǎo)入Ansys進行有限元分析。

4 加強筋圓角電機支架靜力學(xué)有限元分析

電機支架的直角改為圓角并且加上將強筋如圖9所示，其余預(yù)處理條件不作更改，再次進行有限元分析，不同網(wǎng)格精度下變形與應(yīng)力結(jié)果如圖10，11所示。

4.1 不同網(wǎng)格精度下的應(yīng)力結(jié)果

4.2 不同網(wǎng)格精度下的變形結(jié)果

從表3中可以看出，在圓角電機支架的基礎(chǔ)上，在電機支架兩側(cè)各添加一根加強筋后，使電機支架圓角處的最大應(yīng)力由82Mpa降低到5.4Mpa，電機支架的最大變形量由0.427mm下降到0.0473mm，強度和變形量都滿足工廠的要求，即能夠保證收手套機構(gòu)電機部分正常運行。

5 結(jié)論

1）根據(jù)三組有限元分析數(shù)據(jù)中可以看出，網(wǎng)格精度對應(yīng)力的影響較大，隨著網(wǎng)格精度的不斷細化，應(yīng)力值整體波動較大，而變形值幾乎不怎么變化。

2）應(yīng)力奇異點一般出現(xiàn)在剛性約束和尖角處，一般在結(jié)構(gòu)非危險部位，但是如果應(yīng)力奇異點剛好在結(jié)構(gòu)危險區(qū)域，精確計算處應(yīng)力奇異值使沒有實質(zhì)意義的，更改結(jié)構(gòu)設(shè)計才是重點。因此在設(shè)計時應(yīng)多考慮避免應(yīng)力奇異的出現(xiàn)，例如用圓角代替尖銳的倒角。

3）在電機支架沒有加強筋之前，電機和減速機的重力作用使電機支架變形0.427mm，在使用加強筋后使變形量降低到0.0473mm，加強筋的運用使電機支架變形量降低了88.9%，滿足形變量要求。

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