升降辊床连杆摇臂结构拓扑优化设计

甄帅

摘  要：升降辊床作为一种新型输送设备，具有高速、稳定、易于维护等优点，在各汽车焊装车间得到了广泛应用。文章对辊床连杆摇臂结构进行动力学分析，在此基础上针对摇臂结构进行结构拓扑优化，改善机构应力应变并提升疲劳寿命。

关键词：升降辊床;摇臂结构;有限元;拓扑优化;疲劳寿命

中图分类号：U469         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）05-0088-02

引言

“冲压、焊装、油漆和总装”被称为当代汽车制造的四大工艺[1]，在上汽大众仪征工厂焊装车间，焊接工艺种类多达8至10种，用来转运车身的工艺生产线多达12条，拥有德国KUKA自动化机械臂800多台，工艺过程极其复杂，工位数量繁多。基于曲柄连杆摇臂结构的Siemens高速输送升降辊床的大量应用，极大地提高了生产节拍，使生产线实现了柔性生产，产能得到大幅度提高[2]。

1 辊床结构及动力学分析

本文以西门子公司11-0908-1200系列升降辊床为研究对象，主要参数如表1所示。升降辊床主要由底座、升降机構、水平输送辊床和控制系统四大部分组成，实现其升降功能的是一个典型的多连杆机构，并可拆分为两个四杆机构，即前半部分为曲柄连杆摇臂机构[3-4]，后半部分为平行四杆机构，因此，在运动学分析计算中可以忽略后半部分的平行四杆机构，仅分析前半部分的曲柄连杆摇臂机构[5]（图1）。

为了解曲柄连杆摇臂机构在其运动周期内各构件的受力情况，在Adams软件中创建升降辊床曲柄连杆摇臂动力学仿真模型，施加辊床框架及雪橇、车身的重力负载为13000N，直接作用在前后摇臂上，受力方向始终竖直向下，经求解，后摇臂受到来自连杆的峰值拉力为17588N，在升降辊床从低位向高位运行过程中，摇臂克服负载力并将其向上举升，拉力从峰值开始逐渐降低为0N。

2 辊床有限元仿真分析

对辊床连杆结构进行有限元分析。摇臂的制造原材料为Q235B，建立摇臂模型并导入到ANSYS软件中，网格划分后共得到47478个节点、19295个单元。连杆与后摇臂相连的铰接转动副-单孔摇臂关节轴承处，其转动副处最大受力为17588N，选取此瞬态时刻，对后摇臂进行静力学分析，施加负载、约束后进行计算，得到其应力、应变分析结果情况如图2所示。

通过分析发现，在主轴中部轴颈与曲柄连接处是应力集中最严重的部位，从有限元分析结果可以看出，最大应力为91.36MPa，虽然小于摇臂材料的屈服强度235MPa，但这些应力集中部位极易出现疲劳裂纹，直至机械失效损坏，该分析结果与摇臂在实际生产作业中发生的断裂故障一致。

3 辊床摇臂结构拓扑优化

考虑到加强筋结构优化对摇臂应力集中情况改善比较明显，可以对该改进措施进行进一步的结构拓扑优化，以使得左右加强筋结构更牢固可靠。结构拓扑优化分为两类，它们分别是连续体结构拓扑优化和离散体结构拓扑优化，它可以理解为一种依据确定的负载、性能指标与约束条件、针对指定区域进行材料分布优化的数学方法。

本文采用ANSYS Workbench对摇臂结构进行拓扑优化设计，以体积减少25%为边界条件，同时加载与优化前等同的负载和约束条件，并以最大应力最小为优化目标。运用ANSYS零阶法，经过9次迭代计算后，输出拓扑优化后的加强筋结构如图3所示，去除的材料质量达17.9535kg，加强筋质量减少为5.9655kg，较厂家优化前最初的加强筋减重了2kg。

对优化后的摇臂进行建模，施加与优化前相同的载荷和约束，对其进行有限元分析，得到如图4加强筋结构拓扑优化后的应力分析云图，摇臂主轴薄弱处的最大应力降低为71.74MPa，相较于首次结构优化后的81.16MPa有明显改善，而相较于摇臂结构优化改进前的91.36MPa实现了大幅改善，应力改善幅度达到21.47%，结构优化改进大大降低了摇臂的应力集中载荷，有利于延长摇臂的使用寿命。

4 辊床疲劳寿命分析

为进一步验证辊床结构优化对应力集中改善的效果，使用名义应力法对新摇臂进行疲劳寿命分析，得到疲劳计算结果如图5所示。

上述疲劳寿命分析结果显示，在承受周期为2秒、循环载荷条件下，摇臂可循环运行的次数为107次，且分析结果显示摇臂安全系数最低为4.8，超过标准值1.5，因此，本文拓扑优化后的摇臂满足实际使用要求。

5 结束语

随着我国乘用车市场发展越来越快，汽车制造业对输送设备特别是工艺输送滚床的要求越来越高，各整车制造厂纷纷在规划阶段就对输送升降滚床的设计提出了更高的要求。对升降滚床关键部件摇臂的优化改进，有利于提高设备稳定性和使用寿命。

参考文献：

[1]闫跃奇，张贵万.乘用车车身典型截面设计研究[J].汽车技术，2016（1）：10-12.

[2]郑文纬，吴克坚.机械原理[M].北京：机械工业出版社，2003.

[3]黄志新，刘成柱.ANSYS Workbench 14.0超级学习手册[M].北京：人民邮电出版社，2017：138-176.

[4]张萍琴.钢材缺陷金相分析数例[J].包钢科技，1990（4）：68.

[5]李芳，凌道盛.工程结构优化设计发展综述[J].工程设计学报，2002，9（5）：230-235.

[6]谢延敏，何育军，卓德志，等.高强度钢板U形件热冲压凹模结构拓扑优化[J].工程设计学报，2016，23（1）：60-66.

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