新型升降機構的結構設計與仿真優化

邢坤 程武山

摘? 要： 介紹了一種新型升降機構的結構設計，通過運動學理論并聯合MATLAB仿真分析驗證了運動的可行性，并通過SolidWorks對其在極限工況下進行有限元分析。在新型升降機構可靠工作的前提下，對新型升降機構中的關鍵構件進行有限元仿真優化分析，分析結果表明：構件材料消耗明顯減少，為新型升降機構的設計和改進提供合理的理論依據。

關鍵詞： 新型升降機構;結構設計;SolidWorks;MATLAB;有限元仿真分析

【Abstract】： This paper introduces the structure design of a new lifting mechanism， verifies the feasibility of the motion through kinematics theory and MATLAB simulation analysis， and carries out finite element analysis of the mechanism under extreme conditions through SolidWorks. On the premise of reliable operation of the new lifting mechanism， the finite element simulation optimization analysis of the key components of the new lifting mechanism is carried out. The analysis results show that the material consumption of the components is significantly reduced， which provides a reasonable theoretical basis for the design and improvement of the new lifting mechanism.

【Key words】： New lifting mechanism; Structural design; SolidWorks; MATLAB; Finite element simulation analysis

0? 引言

垂直升降機構自動化機械設備在工業、農業、人們日常生活中等運用越來越廣泛.例如房屋的修繕，建筑作業時提高水平面高度以提高工作效率。因此升降機構已成為社會生活工作必不可少的機械設備?，F在市場上升降機構的類型也種類繁多，不同的工作場合，工作環境，然而在某些極端工況條件下，如壓力容器，核電站反應堆等內部空間大入口小工況下，就需要對升降機構的設計有很大的要求。因此，構造出體積小同時要滿足升降高度要求的升降機構具有重要的實際工程應用價值。為此，在常規垂直升降機構的基礎上，同時為了滿足在極端工作環境下，內部空間大入口小的工作環境，運用復合機構的理論知識設計出了新型垂直升降機構。同時通過三維軟件對其部件構型，組裝。最后為了機構的穩定性，在動力學與運動學的基礎上對其關鍵部件進行有限元分析。機構在保證強度的前提下，對其進行有限元優化分析，提高設計中最大限度發揮材料的特性，且明顯減輕了機構的質量。

1? 整體結構設計與機構原理

1.1? 整體布局設計

升降平臺主要有底層支撐底座平臺、傳動連桿、傳動齒輪、上層支撐平臺、液壓推桿等組成。底層支撐平臺主要起到傳遞動力和穩定支撐的作用，同時平臺下有可移動的輪子，方便了整個平臺的移動。液壓推桿的作用是液壓部分主要提供驅動力[2]，通過傳動連桿來進行垂直升降，從而實現機構功能。

1.2? 機構原理

上圖為升降裝置的平面原理圖，機構由兩個串聯的雙邊平行四邊形機構通過寄生于連桿上的齒輪進行傳動，驅動機構通過連桿滑塊機構來推動整個機構裝置來運動，機構的各個運動狀態如下圖所示。

根據平面自由度公式式中：F—機構自由度數;n—機構中的活動構件數;PL—機構中的低副數;PH—機構中的高副數，圖中，n=8，PL=11，PH=1。由上式可得：F=3×8–2×11–1=1，機構的自由度為1，便可知道機構具有確定的相對運動。

2? 機構的運動學與動力學分析

2.1? 機構的運動學分析

由上面的圖表顯示，機構的整個運行過程中角位移、角速度、角加速度曲線光滑且連續的特點，這說明了機構在運行的過程中其角位移、角速度、角位移變化均勻，機構運行平穩，很好的滿足了平臺的升降的功能，實現了機構的初步設計。

2.2? 機構的動力學分析

進行機構的動力學分析是為了分析機構中運動模塊的受力隨時間的變化規律，這對于機構的穩定性、安全性、可靠性有重要的意義[3]。在這里需要分析驅動源的受力變化規律也即分析P點的受力情況。首先整個的機構裝置通過兩個并行的液壓推桿來驅動整個平臺的升降。從推桿的布置可以知道平臺在升降的初始位置時，推桿輸出的力最大。因此在最大載重極限工作情況下能夠安全工作就能保證整個機構的安全性[4]。平臺的重量為300 kg，載重200 kg，借助Solidworks中的motion插件對機構進行模擬分析得到p點的受力曲線如下圖所示。

3? 機構的有限元優化設計

為了使升降平臺能夠在最大極限工況情況下能夠安全工作，通過有限元軟件對AD運動部件受力分析處理，通過分析結果然后對運動部件的強度進行校核，然后為了進一步提高機構的性能對關鍵的AD部件進行優化[5]。

3.1? 分析前處理

平臺AD構件采用Q235材料構件結構如下圖所表示，在SolidWorks軟件對構件AD構件進行簡化為有限元分析做前處理，打開SolidWorks中的simulation插件對簡化過后的AD構件進行自由網格劃分，對于一些受力的運動副進行細致的局部網格劃分。

根據升降機構在運動的過程中的運動和受力特征，在最大負載狀態下，對構件AD施加載荷.

3.2? 仿真結果分析

AD構件有限元分析結果如下圖。由分析結果可以表明，在P處應力最大為其最大應力，且最大應力82.22 MPa，選取的材料的屈服極限 220 Mpa;因此，最大工作應力小于材料的屈服應力，故滿足強度要求。

3.3? 仿真優化分析

首先根據圖九和圖十的有限元分析結果，可知AD的最大工作應力82.22 Mpa，此時應力值小于材料的最大須用應力160 MPa[6]。因此構件AD是在工作安全狀態的，但是相較于最大許用應力較小很多。為了提高設計的運動機構的性能，在滿足其他正常運動的條件下，進行對構件AD進行優化仿真以減輕AD的重量使機構更加輕便.

AD構件選用材料為Q235，根據結構設計，選取鋼板作為構件的材料，由結構設計中的數據現有AD構件厚度30 mm，把厚度作為構件AD的優化變量，然后再進行逐步優化。首先優化的變量要有一定的范圍，選取10 mm到30 mm作為優化變量的范圍。然后通過三維軟件對AD構件參數化建模，通過對不同厚度的AD構件進行有限元仿真分析得到如下圖結果。通過圖表可以看出隨著厚度的逐步增加最大工作應力的值在逐步減小。因此可以得出改變厚度對所受力構件應力有很大影響。在上面的分析情況下，滿足最大工作應力小于許用應力的安全工作狀態前提條件下，求解AD的最小質量。

為了求解在工作安全狀態下AD質量最小，通過三維軟件參數化建模進行有限元仿真分析對比。得出如下圖所示最優厚度為11mm，圖十二顯示構件AD最大工作應力159.5MPa，小于材料許用應力160MPa，是在安全狀態下[7]，能夠正常安全運轉，同時減輕了質量，避免材料的浪費減低成本，提高了機構的整體性能。

4? 結論

本文介紹了一種新型升降機構，通過三維軟件對其進行了結構設計。通過運動學理論分析并聯合MATLAB仿真分析出運動的參數的曲線，驗證了設計的可行性。同時在最大工作狀態下對其進行動力學分析得出受力曲線。通過動力學得分析結果對其受力構件進行約束受力進行有限元仿真優化，最終求解出在安全工作狀態下，最優厚度，使構件質量減少百分之45，大幅度減少材料消耗。

參考文獻

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