焊装大型配电房专用翻转机构的仿真分析

付景顺，薛 羊

(沈阳工业大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110870)

焊装大型配电房专用翻转机构的仿真分析

付景顺，薛 羊

(沈阳工业大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110870)

焊装大型配电房专用翻转机构通过液压驱动装置推动翻转支架，使固定在翻转支架上的待焊工件处于焊接最佳位置，改善焊接质量。建立并简化大型配电房翻转焊装机构模型，利用ADAMS做机构运动过程仿真，导入ANSYS Workbench对机构整体和固定座、铰链、液压翻转支架等重要零部件进行有限元分析，计算出各零部件的应力、应变。为该翻转机构的优化设计提供了理论依据。

ANSYS Workbench；翻转机构；ADAMS；大型配电房

0 前言

大型配电房大致外形尺寸为20 m×3 m×3 m，通常采用人工焊接，焊接顺序为：底板焊接-四角立柱焊接-中间立柱方钢焊接-薄钢板的拼焊。在人工施焊过程中常遇到变形或质量问题，要根据具体情况对缺陷部位进行工艺调整或借助其他辅助工具进行处理，因此工作效率较低。大型配电房成品总重量重达17 t左右，长度(22 m)方向超出常规尺寸。普通的车间起重设备采用通用L型翻转变位机构，由于其结构特点限制，在长度方向出现较大的挠度，严重影响后续工序质量，即造成薄钢板无法正常拼焊，因此，传统的车间起重设备难以保证整体翻转过程的同步和无变形，而且在吊装翻转过程中，也需要消耗大量的辅助用功时间。大型配电房的焊装翻转机构能够快速、高效的实现大型配电房焊装。

该专用翻转机构使工件焊缝处于最佳焊接位置，配合机械手焊接，以达到较为理想的焊接效果。本文通过对大型配电房焊装翻转机构的研究，利用ADAMS和ANSYS Workbench软件对翻转机构进行模拟仿真，得到固定底座、翻转支架和活动销轴等重要零部件的应力、应变。为机构运转的安全性、便捷性、高效性等提供了强有力的理论保证。

1 翻转机构及焊件模型

首先对配电房翻转机构在UG中建立装配体三维模型，并对模型进行简化，研究的重点是翻转机构的稳定性，分析静力学时将焊件(配电房)简化为一个长方形的刚体，导入ANSYS Workbench。主要步骤：简化、导入模型-添加材料属性-网格划分-添加载荷和约束-进行有限元分析-求得所需解和云图-比较验证-优化现有设计。图1为简化前的UG模型，约为17 t(成品质量)的配电房通过七组翻转支架支撑、固定，配电房两端约两米处分别设置有两组液压缸驱动装置，通过液压缸的伸缩运动配合翻转支撑支架底部的活动轴销的往复运动，实现工作平台的翻转。

图1 UG模型Fig.1 UG model

将简化后的配电房及翻转机构的UG模型导入到ANSYS Workbench后，具体分析步骤：(1)工位1对整体结构分析，固定底座和翻转支架只受配电房重力作用，产生应变和应力；(2)工位2配电房在重力作用下对翻转支架的斜小平面与其贴合的固定底座上平面产生的应变和应力；(3)分析工位1和工位2之间位置，重要零部件的应变和应力。

七组翻转支架和固定底座对配电房支撑定位作用。因此对翻转支架和固定底座进行静力学分析，得到其受到配电房重力的作用下的应力、应变。表1为所用材料的属性。

表1 所用材料的属性

2 整体结构分析

分析静力学时，为了减少不必要的计算可将配电房简化为长方体，因此在划分网格时候，网格尺寸增大以便于后面的计算速度。相对转动的铰链连接处，固定底座和翻转支架减小网格的尺寸并对承压部位的网格进行人工优化，从而能够保证计算结果的准确度。

工位1即初始工位时，静力学分析是对固定支架的底端方钢的横截面固定约束，整体加载重力，然后对翻转支架和固定底座进行应力和应变的分析，得到图2所示总变形和最大应力。主要变形和应力集中在配电房投影在固定底座区域的方钢上。

图2 模型的整体应力和应变Fig.2 The model overall stress and strain

工位2在液压缸的驱动下，固定底座和翻转支架右端连接处铰链的活动销轴在气缸的驱动下脱离工作位置，翻转支架带动固定在其上面的待焊工件绕左端的活动销轴转动，60 s后，翻转支架左侧达到一个翻转支架45°的小平面，液压缸停止伸出，并保持压力恒定。翻转支架对固定支架的作用力。可得到应力应变云图如图3所示。在工位2，应力和应变主要集中在翻转支架与固定底座结合面上。

图3 工位2模型的应力和应变 Fig.3 Stress and strain of the station 2

3 重要零部件分析

3.1 翻转过程

静力学主要分析了工件在工位1和工位2位置受力情况，在工位1和工位2之间涉及到的动力学，其中包括三个铰链转动副和一个液压缸移动副的运动，对模型简化为两个翻转支架和一个液压缸驱动，一方面减少错误的出现，另一方面较为贴合实际工况，导入到动力学分析软件ADAMS进行运动仿真分析，翻转支架在液压缸的推动下，翻转一定角度，即工件举升角-时间变化曲线如图4所示。

图4 举升角-时间变化曲线Fig.4 Lifting angle-time curve

以右端固定座活动销轴为翻转中心，翻转支架绕其翻转45°到达工位3，重心变化曲线如图5所示，配电房质心在纵向位置上(X轴)随着举升角度的增加后移；在横向位置(Y轴)上无变化，说明质心一直处于固定支架的横向平面中，举升过程质心在Y轴方向无偏移；在垂向位置上(Z轴)随着举升角度增加在升高。整个配电房的质心位置变化符合实际情况。

图5 重心随时间变化曲线Fig.5 Curve of the gravity center changing with time

3.2 建立目标函数

设置点O作为坐标原点，点A(N,K)为液压缸顶部与翻转支架通过销轴链接的中心点。点B为翻转整体的重心，重力为G，距Y轴的距离是P，β为液压缸轴线与Y轴的夹角，点A处所受到的力可分解为Fax和Fay。在平面力的任意力系向点O(翻转点)简化。如图6所示，根据平面力系平衡方程分析翻转结构受力图，∑Fx=0，∑Fy=0，∑Mo(F)=0。

图6 翻转结构受力分析图Fig.6 Force analysis of turnover structure

3.3 关键零部件进行受力分析

3.3.1 固定座

固定座通过四个螺栓固定在各个翻转支架的两侧，翻转过程中承载配电房的重力。承压侧面形状与配电房底板的H型钢的凹面基本吻合，在翻转机架运动过程中，加紧定位的作用，同时是主要受力点，受力-时间变化曲线如图7所示。

在初始位置固定座受力几乎为零，随时间的变化，液压缸推动翻转支架翻转，配电房重心发生变化，其受理情况也随之变化。如图8所示固定座随时间变化的应力，两垂直面的结合处是固定座最大应力。

图7 右端固定座侧面受力随时间变化曲线Fig.7 Force-time curve of the right holder side

图8 右端固定座侧面受力Fig.8 The right holder side stress

3.3.2 铰链链接处相关零件

机构在做翻转过程中，通过七组翻转支架和固定底座之间的铰链相对转动实现，因此，铰链也是研究的主要对象。工位3时，翻转支架绕固定底座右端铰链翻转，即得到右端底座支架与翻转支架之间铰链连接受力随时间变化曲线情况如图9所示。

图9 右端底座支架与翻转支架受力随时间变化曲线Fig.9 Force-time curve of the right base support and turning support

铰链链接处活动销轴在翻转过程中始终是关键零件，最大应力分布图如图10a所示。对固定底座上面的固定座进行分析，在工位1运动至工位2过程中主要受到活动销轴的压力，受力部位主要位于固定座半圆的左半部分，具体应力分布如图10b所示。

图10 右端铰链连接处零件的应力云图Fig.10 Stress nephogram of the right hinge joint parts

3.3.3 液压缸及翻转支架

液压缸伸出、推动翻转支架实现配电房的变位，即翻转支架与液压缸链接处的铰链为主要承力零部件。液压缸与翻转支架之间铰链受力随时间变化曲线如图11所示。翻转支架在初始位置所受到的力等于集装箱重力分配在各个翻转支架的力，随液压缸伸出推动翻转支架运动，其受力随时间变化情况呈下降趋势。

图11 铰链受力随时间变化曲线Fig.11 Curve hinge stress changing with time

液压缸为翻转机构提供动力源，将铰链受力随时间变化曲线数据导入到ANSYS软件可到到液压缸随时间变化的应力图如图12a所示，翻转支架在机构翻转过程中起支撑固定作用，尤其在工位2和工位3时，45°的小平面承受到整个大型配电房力的重力作用，可能产生较大应力和应变，翻转支架的应力分布如图12b所示。

图12 相关部件应力分析Fig.12 Stress analysis of hydraulic cylinder and turning support

4 结语

通过对实际配电房焊接工艺过程模型研究，设计出一套配合焊接的专用翻转机构，便于实现自动化生产。利用UG建立三维模型，简化、导入到动力分析软件ADAMS中运动仿真，将模型和仿真结果利用workbench对机构进行受力分析，得到整体结构、关键零部件变形和应力情况，为翻转机构的设计及优化提供了可靠的理论基础。

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Simulation analysis of turnover mechanism for welding large power distribution room

FU Jing-shun，XUE Yang

(College of Mechanical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)

The turnover mechanism for welding large power distribution room push the turning bracket through a hydraulic driving device. It made the workpiece which fixed on the bracket located in the best welding position to improve the welding quality. This paper established and simplified the turnover welding mechanism model, and using ADAMS to simulate motion process, and finite element analyzed mechanism whole body and holder, hinge, hydraulic turning support, etc. and obtained the stress and strain of the important parts. The calculation results provide theoretical basis for optimal designing of the turnover mechanism.

ANSYS Workbench; turnover mechanism; ADAMS; large power distribution room

2015-09-07；

2015-12-03

付景顺(1963-)，男，沈阳人，工学博士，沈阳工业大学机械工程学院教授，车辆工程系主任。主要研究方向：现代制造技术与精密测量，车辆安全、节能与环保技术，车辆智能检测与故障诊断。

薛羊(1987-)，男，新乡人，硕士研究生，机械工程，机械制造及其自动化方向。

TH137

A

1001-196X(2016)06-0086-05