某多功能靶標安裝架仿真分析與優(yōu)化設(shè)計

于正亮 武晶

摘 要：某多功能靶標采用緊湊式傳動布局設(shè)計，靶標安裝架既要承受靶標運行時的負載轉(zhuǎn)矩，同時用于靶標的安裝固定，其結(jié)構(gòu)強度與穩(wěn)定性將決定某多功能靶標的安全性。安裝架造型復雜，加工成形手段包括焊接與常用切削加工。本文采用通過Solidworks三維設(shè)計軟件，建立了安裝架的初臺模型，針對加工成本與工藝合理性進行了優(yōu)化設(shè)計，采用Solidworks Simulation對優(yōu)化前后的產(chǎn)品在額定載荷下的應(yīng)力及變形等情況進行了有限元分析，驗證了優(yōu)化設(shè)計的有效性與合理性。

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

1 產(chǎn)品簡介

某多功能靶標設(shè)計中采用了電機通過減速器直接驅(qū)動負載（靶標）的結(jié)構(gòu)布局，既能減少傳動環(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)常變換訓練場地、調(diào)整訓練課題的應(yīng)用單位。

結(jié)構(gòu)布局中，安裝架是多功能靶標的核心結(jié)構(gòu)部件，既用于支撐靶標動力與傳動零部件，承載靶標運行時的負載轉(zhuǎn)矩，安裝架內(nèi)部還安裝有各類位置傳感器、靶夾類型識別傳感器、報靶傳感器等電氣部件，實現(xiàn)靶標綜合狀態(tài)的檢測。

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)安裝有多功能靶標控制與感應(yīng)所需的各種傳感裝置。某多功能靶標與安裝架結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1所示。

根據(jù)傳動布局及各機械、電氣部件的安裝要求，初步將安裝架設(shè)計成如圖 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)過初樣試制裝配并驗證，安裝架整體結(jié)構(gòu)功能滿足要求，但在加工過程中發(fā)現(xiàn)以下問題：

由于件⑤造型復雜，加工工藝過程工序較復雜，導致整體制作成本偏高，對控制項目目標成本的影響較大;

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

2 優(yōu)化設(shè)計

針對上述不足，需對安裝架進行優(yōu)化設(shè)計。考慮到產(chǎn)品預期產(chǎn)量較小（預測年產(chǎn)量﹤1000只），不適合使用鑄造或鍛造模具展開后續(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。對件④和件⑤重新進行設(shè)計，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方形孔。而優(yōu)化設(shè)計后的件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)計軟件的Simulation 插件，對優(yōu)化設(shè)計前后兩個部件進行仿真分析。

根據(jù)設(shè)計輸入約定，靶標預期應(yīng)用工況下，攜帶的最大負載轉(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個件①處施加固定約束后進行有限元分析，對比優(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)變和位移對比數(shù)據(jù)如表 1所示。

從表 1可以看出，優(yōu)化設(shè)計前后安裝架結(jié)構(gòu)機械性能基本無變化，在額定負載條件下，整體結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力小于屈服強度，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，對靶標整體工作無影響。

優(yōu)化設(shè)計后，對該部件進行試制驗證，試制過程表明：一是關(guān)鍵零件加工工藝得到簡化;以件⑤在單軸加工中心上加工為例，優(yōu)化前需要6次裝夾才能完成對工件六個面的加工，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)長焊縫優(yōu)化為周邊多點均布短焊縫，焊接后變形量減小。

結(jié)語：通過對安裝架結(jié)構(gòu)方式進行優(yōu)化設(shè)計后，和原有設(shè)計結(jié)構(gòu)相比，保證了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強度，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。同時提升了其加工工藝的合理性，改變了焊接方式，簡化了工藝流程，單件產(chǎn)品成本降幅達37%，較好地實現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計的目標。

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作者簡介：

于正亮（1971- ），江蘇人，本科，高級工程師，長期從事訓練靶標靶場項目設(shè)計開發(fā)和項目管理。

（總參謀部第六十研究所，江蘇 南京 210016）