基于ABAQUS 的桁架移載上下料裝置設計

林洪兵，朱玉華，蔡亞君，俆小燕

（1. 浙江理工大學 機械工程學院， 杭州 310018； 2. 新昌縣豐億電器有限公司 技術研究中心， 浙江 紹興 312500；3. 麗水學院 工學院， 浙江 麗水 323000）

自動化設備性能優劣與設計密切相關，沒有高質量設計，就沒有高水平制造系統[1]。為減少設備設計失誤，通常采用計算機輔助技術對關鍵部件進行仿真分析，以優化設備關鍵結構設計[2-3]。仿真分析已成為設備設計質量評估的重要環節，例如：在對光伏設備設計時，Hacke 等[4]對關鍵部件逆變器進行受力類型分析及耐久性測試仿真分析；林洪兵等[5]基于PLC 控制器設計節流閥自動化生產裝置時，針對實際加工中縮口質量不佳問題，建立ABAQUS 仿真模型進行分析；Aikaterini等[6]采用ABAQUS 軟件對鋼筋混凝土板柱的失效模式進行分析，并根據結果優化板柱結構；等等。采用仿真分析方法對設計方案進行分析并加以優化，可提高產品的性能與質量。本文擬采用ABAQUS 軟件對桁架移載上下料裝置進行靜力學及模態分析，并加以結構優化設計，繼而采用AMESim 分析軟件對氣動回路進行仿真分析，以驗證設計的合理性。

1 桁架移載上下料裝置結構

桁架移載上下料裝置結構如圖1 所示。其中，無桿氣缸為左右平移執行件，滑臺氣缸為上下移動執行件，氣動手指為夾取物料執行件。裝置移動板起支撐作用，搭載7 組抓取裝置。抓取裝置中的氣缸伸縮時，將對移動板產生沖擊。因此，應分析桁架移載上下料裝置移動板受力情況，驗證結構設計合理性，并加以優化以提高設備使用壽命。

圖1 桁架移載上下料裝置結構示意

2 桁架移載上下料裝置受力分析

2.1 移動板受力分布

由于夾持裝置沿著豎直方向運動，故裝置會受豎直方向的加速度負載。夾持裝置豎直方向加速度az=2 m/s2，豎直方向最大慣性力Fz=m2（az+g）=200 N。式中，m2為抓取裝置質量（kg）。

移動板為長條形，將其視為橫梁形式進行受力分析，如圖2 所示。

圖2 移動板受力情況

2.2 支撐點確定

支撐點分布一般由梁中所受最小應力確定，還受載荷類型及梁是否對稱影響。根據工程經驗，支點最佳位置一般位于梁端起至梁長的11.888 %～22.416 %處[7-8]。移動板屬于軸對稱結構，其應力以200 mm 為跨度均布并形成對稱。因此，為達到較好的應力分布，將支點設置為梁端起至梁長的25.409 %處。在移動板上設置兩點支撐與四點支撐進行對比，以確定支撐點分布方案。

2.2.1 兩點支撐受力分析

兩支撐點受力情況如圖3（a）所示。移動板A端及B 端的移動鉸支座提供了Y 軸方向上的支撐力，移動板受7 個等距（200 mm）200 N 向下的集中力，集中力無力偶，不考慮移動板自重。根據受力情況，計算移動板的約束反力、剪力及彎矩。

圖3 兩點支撐移動板受力情況

式（1）中：Fy為移動板在Y 軸方向上的合力，FAy、FBy為支承座A、B 上的支撐力，MA為以A 為基準的彎矩。由式（1）計算得，A、B 兩處約束反力為700 N，最大彎矩為80 N·m，移動板所受剪力與彎矩分布如圖3（b）、（c）所示。

2.2.2 四點支撐受力分析

在移動板上設置4 個支撐點時，A、B、C、D 端的移動鉸只提供了Y 軸方向上的支撐力，此時梁為不定結構，如圖4（a）所示。由于結構對稱、載荷對稱，故可采用如圖4（b）所示半結構進行計算。F=200 N，各桿彎曲剛度均為EI，梁在豎直載荷作用下不產生水平反力，故FEx=0，只含有1 個多余約束，如圖4（c）所示。由此得彎矩分布如圖4（d）、4（e）所示。力學典型方程為δ11X1+Δ1P=0。由圖乘法可得單位力在X1點處產生的位移量δ11，外力產生的位移量Δ1P，未知力X1。由MP可得彎矩M 分布如圖4（f），A、B 支座兩側受力如圖4（g）所示。根據受力情況可求出A、B、C、D支座反力分別為FAy=FDy=950 N，方向向上；FBy=FCy= 250 N，方向向下。經核驗FAy- FBy- FCy+FDy= 1 400 N。

圖4 四點支撐移動板受力情況

與兩點支撐的受力情況相比：在剪力分布上，四點支撐在移動板上的剪力較小，且分布更為合理；在彎矩分布上，兩者最大彎矩均為80 N·m，四點支撐移動板中部的彎矩大一些；對于變形情況，在移動板兩側的形變量基本一致，在移動板中段，四點支撐的形變量明顯更小。因此，本文采用四點支撐形式設計移載模組，并對其進行有限元分析。

3 桁架移載上下料裝置有限元分析

3.1 裝置的靜力學分析

由于裝置存在較多影響網格質量的無關特征，若在ABAQUS 仿真軟件中直接對其進行網格劃分，得到的網格質量較差[9]。因此，導入三維模型前，在SolidWorks 軟件中對其進行相應的優化，去除搭載在移動板上的抓取裝置與無桿氣缸，刪除對整體應變影響較小的特征[10]。簡化后的裝置三維模型如圖5 所示。

圖5 桁架移載上下料裝置的簡化三維模型

參數確定不僅是仿真分析的基礎，也是仿真分析的關鍵。如材料屬性設定關系到仿真結果的準確性，網格劃分類型與數量直接影響仿真模型受力情況呈現[11-12]，而邊界條件則要根據實際加工情況進行設置。

1）材料屬性

裝置的立柱及底座采用牌號為LY12 的高強度硬鋁，其他零件采用Q235 碳素結構鋼。Q235質量密度為7.86 g/cm3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.28。LY12 質量密度為2.78 g/cm3，彈性模量為730 GPa，泊松比為0.33。

2）邊界條件設置

裝置底座安裝于電氣柜，故將底板設置為固定約束。其他各部件通過螺栓連接，設置為綁定接觸關系。

3）工況分析

裝置水平方向組件運行至豎梁最右端（工況1）和最左端（工況2）時，機械手組件、負載及慣性力對裝置產生的應力和應變達最大。由于左右運行的位移相同，因此，只需要對其中一種工況（選取工況1）進行仿真分析。

4）載荷分布

將重力載荷加載至裝置，水平方向上運動模組自重為100 N。由于對裝置有限元模型進行了簡化，需將簡化后的重量（20 N）重新加載，并將裝置承載的重量包括慣性力均勻分布至移動板。

5）網格劃分

為保證仿真結果準確，需保證薄型零件各邊單元數不小于4 個。在“網格劃分”功能下對結構復雜的零件進行幾何元素拆分，主要受力件應采用六面體網格劃分。在設置節點全局尺寸后，對單元數較少部分進行單獨布局。最終將裝置網格劃分為68 152 個結點，51 196 個六面體單元。

經上述載荷及參數設置后，在ABAQUS 里的可視化模塊里可直接得到該工況下的裝置仿真分析云圖，如圖6 所示。

圖6 裝置仿真分析云圖

由圖6（a）可知，該工況下最大變形量為1.572 mm，位于為移動板兩端，符合工程技術要求。由圖6（b）可知，裝置最大應力出現在滑塊與滑軌的接觸面上，裝置在該負載下運行雖符合使用要求，但對滑塊及滑軌的使用壽命影響較大。因此，在結構上需進行進一步優化，以降低最大應力。

3.2 裝置的模態分析

模態分析是一種數值分析方法，用于計算結構的振動特性，包括固有頻率和振型。其基本原理是：通過計算結構體系在自由振動狀態下的固有頻率和振型，分析結構在不同動力載荷下的響應情況，避免結構在使用過程中發生共振現象。模態分析被廣泛應用于結構強度、穩定性和耐久性研究。在設備工作過程中，裝置處于受載狀態，結構在靜載荷作用下的應力狀態會對其固有頻率和振型產生影響。因此，在進行結構模態分析時，必須考慮受載狀態下的靜力影響因素，以便更準確地評估結構的振動特性，為結構設計和優化提供可靠依據。

本文擬對裝置進行模態分析，提取前四階模態特征作為參考，其分析模型、網格劃分、接觸關系等均與靜力分析一致。裝置的前四階固有頻率振型如圖7 所示，裝置頻率振動云圖模態分析結果如表1。

表1 裝置振型模態分析結果

圖7 裝置固有頻率模態振型

由圖7 和表1 可知：裝置最大變形量為2.515 mm，出現于三階模態，固有頻率為35.684 Hz；模態變形主要集中于移動板兩側，不會對裝置的運行造成影響；裝置的一階頻率為25.624 Hz，固有頻率為25.624 ～42.399 Hz。選用的氣缸固有頻率為3 ～5 Hz，裝置最低固有頻率遠高于設備正常運行時的共振頻率。因此，裝置在工作狀態下并不會發生強烈共振，結構設計可靠。

4 裝置優化設計

為使裝置在運行過程中應力分布更合理，需對裝置結構進行優化。由于通孔型板材具有較好的輕質特性及高比強度、高比剛度，因此，現代工業設計的結構優化通常通過開設通孔以降低零件質量，提高承載性能[13-14]。以移動板為優化對象，為降低其自重，在其上開設等間距承載應力的結構孔，進行靜力學仿真，結果如圖8 所示。

圖8 優化后裝置仿真分析云圖

由圖8（a）可知，其最大變形位于移動板兩側，較優化前變形量有明顯下降。由圖8（b）可知，裝置最大應力出現于滑塊上端，且最大應力值遠低于優化前。在滑塊及滑軌的接觸面上仍有應力產生，但接觸應力值較小，符合其使用要求。優化后結構的模態分析結果如圖9，效果對比如表2所示。

表2 裝置優化前后模態分析效果對比

圖9 優化后裝置模態振型

由表2 可知，優化后裝置的固有頻率為26.547～36.476 Hz，裝置的共振區域集中于移動板上，最大變形量略有上升。結構優化后，一階固有頻率有所提升，共振變形分布較為集中。因此，優化后裝置的應力分布更為合理，進一步提升了結構的動態特性。

5 裝置氣動回路設計及仿真分析

根據桁架移載上下料裝置中三種氣缸（水平方向移動的無桿氣缸、豎直方向移動的滑臺氣缸及夾取工件的氣動手指）控制要求，設計裝置的氣動回路如圖10 所示。對裝置氣動回路系統采用AMESim 的PCD 進行仿真，分析裝置移動氣動回路系統特性，驗證回路設計合理性。仿真中采用氣體比熱容比1.38，絕對黏度0.019 N·s/m2，氣體常數289 J/（mol·K）。

圖10 裝置氣動回路

移動氣缸選用DGC32×240 型無桿氣缸，使用壓力0.2～0.6 MPa，理論作用力0.06～1 MPa。在壓力使用范圍內其運動與普通氣缸相同，故可使用普通氣缸模型替代無桿氣缸，建立裝置運行的PCD 回路模型。推入回路壓力設為0.5 MPa，無桿氣缸兩端自帶可調緩沖，彈性系數為25 N/mm。

設置進氣口恒壓源為0.5 MPa，兩位五通閥體活塞直徑為20 mm，活塞桿直徑為12 mm，靜摩擦力7 N，滑動摩擦力4.5 N，閥芯質量塊0.08 kg，位移下限0 mm，上限15 mm，流量系數0.8，彈簧系數1 260 N/m，預緊力35 N。單向節流閥與換向閥之間管徑5 mm，長度均為2 m，氣缸活塞直徑32 mm，行程240 mm。

裝置左移與右移時，其上負載相差約為0.147 kg，因此，仿真分析僅對負載較大的運動（裝置右移）進行分析。此時，負載質量塊18.397 kg（負載質量18 kg，活塞質量0.25 kg，工件質量0.147 kg），靜摩擦力7 N，滑動摩擦力5.8 N，設置初始時間為0 s，終止時間為1 s，仿真步長10-3s。開始仿真時裝置處于左位（氣缸縮回位），氣缸回彈系數為25 N/mm。

仿真結果如圖11 所示，氣缸右腔排氣單向閥開度為0.6，即K=0.6，動作時間為0.097 6～0.403 s，響應時間為97.6 ms，右移時間用時0.305 4 s，裝置右移速度為0.635 m/s。設備節拍為3.75 s，裝置需左右各運動一次，位移完畢停留時間需大于1 s，因此，選用的氣缸滿足使用要求。

圖11 裝置右移位移速度仿真曲線

6 結 語

為驗證設計的桁架移載上下料裝置的合理性，建立裝置的力學模型并進行分析，研究不同支撐點分布對裝置受力的影響。分析表明，四點支撐性能明顯優于兩點支撐，因此選用四點支撐形式。對設計的裝置采用ABAQUS 進行靜力學與模態的仿真分析，并對移動板進行結構優化，結果表明，優化后裝置的應力分布更為合理且動態特性有所提升。采用AMESim 軟件對裝置的氣動回路進行仿真，結果表明，氣動回路滿足使用要求。因此，設計的桁架移載上下料裝置結構可靠，性能符合工程使用要求。