齐谦柱 马北一

摘 要：大型筒节翻转机是一种用于对大型筒节进行调运、输送、翻转、加工等操作的设备。其主要结构由直角框架绕转轴双向旋转构成，实现将大型筒节的轴线由水平方向转成垂直方向或由垂直方向转成水平方向的操作。由于大型筒节及翻转机自身的重量都很大，因此其结构性能的可靠性是整个设计的重点内容。本研究主要是利用Solidworks软件的虚拟建模及其COSMOSWorks模块的有限元仿真分析功能高效的完成对翻转机的概念设计，简化整体设计过程，并对设计参数实现系列化处理。

关键词：大型筒节；翻转机；性能仿真分析；虚拟样机设计

引言

大型筒节是一种管状钢材，其作用主要是通过焊接方式组合成化学材料存储罐的罐体或者压力容器的罐体，应用极为广泛。本研究中所涉及的翻转机主要是实现对直径超过2m，重量超过百吨的大型筒节进行调运、输送、翻转、加工等操作的设备。

1 概念设计

本研究中设计的翻转机所指向的大型筒节的结构参数主要包括：筒节直径3.5m～6m；高度2m～4m；最大重量180t；动作要求是将筒节的轴线由水平方向转为垂直方向或相反。

根据筒节的结构参数及要实现的动作要求，初步设定翻转机机构工作原理为：翻转台由直角框架结构组成，其直角顶点处作为翻转台的转动轴线，筒节由起吊装置吊起并放置在翻转台上。翻转台在起吊设备的作用下开始翻转，在0°～53°的范围内利用起吊设备作为动力源，当转角超过53°后利用翻转台及筒节的自重所产生的向下的力自由下落，并通过液压装置实现对下落速度的控制，使其平稳下落。翻转机结构示意图如图1所示。

2 翻转机的Solidworks三维设计

三维造型设计就是利用特征来描述产品的信息。特征（Feature）就是设计者对设计对象的形状、结构、材质、功能、加工、装配、检验、管理与使用信息及其关系等具有确切的工程含义的抽象描述[1-4]。

（1）建模步骤

首先，根据板件的形状特征建立第一板件的模型，并将其长、宽、高三个参数作为标准参数，建立相应的参数表，简化建模过程。非参数化零件则根据各自形状和结构的特点依次建立三维模型。在建模同时，添加所有零件的相关参数。

然后，将所有零件模型按照对应的位置关系进行装配。固定件之间采用放置方式进行装配，运动机构之间采用连接方式进行装配。以保证所有零件之间具有合理的位置关系和运动关系。

最后，利用组装完成的装配体模型分别进行有限元分析，从而确定整体结构的刚度、强度是否满足设计要求，确定设备使用中的安全性。

（2）建模及装配

根据所建模型的特点，利用“系列零件设计表”，简化模型的生成过程。设计完成后根据需要再进行所有零部件的虚拟装配。

组成翻转机的装配体主要包括三大部分：一、翻轉机的翻转台。其主要用于放置筒节，实现筒节轴线方向的转变；二、翻转机的底座。其主要作用是用于翻转台的固定及运动缓冲平台；三、液压缓冲装置。其主要作用是减缓翻转台自由下落的速度，减轻冲击力。其中翻转台和底座分别采用放置装配使之具有焊接件的结构特性。而翻转台和底座、底座和液压缓冲装置、翻转台和液压缓冲装置之间则采用连接装配，使其具有运动构件的配合关系[5-8]。

完成的装配体如图2所示。

3 翻转机结构的有限元分析

根据筒节翻转机的工作原理可知，在整个工作过程中翻转台会出现两处受力最大的位置，其一是翻转台由静止状态到开始转动的瞬间所受到的作用力，其二是翻转台在筒节和自身重力作用下自由下落时所产生的冲击力。针对这两个阶段所进行的有限元仿真分析[9-12]，对翻转机的整体设计起到了至关重要的作用。

（1） 参数设定

根据所建立的三维仿真模型，可直接得到如下参数：

总体重量为273.815t。

重心坐标点（3138.9，2379.0，0）

另外，为进行有效的模拟分析，需要添加的参数条件包括：

牵引力：2165.611N

模型材料：Q345

（2） 添加模拟分析条件

整体模拟分析过程主要包括三个步骤。首先，对建立完成的模型进行网格划分。然后，根据工作情况添加约束和载荷。最后，进行模拟分析运算。模拟条件添加完成的模型如图3所示，分析结果如图4所示。

A、翻转机变形云图 B、翻转机应力云图

（3） 分析结果

从结果云图可以确定，翻转机的最大应力值为96.4MP，而设计中所采用的材料为Q345，该种材料的屈服极限为345MPa，许用应力为130MPa。因此，从分析结果上看，本次设计的翻转机能够实现最初的设计要求，设备可以安全可靠的完成对大型筒节的各项操作。

4 结束语

Solidworks模拟设计及仿真分析能力的应用，使得大型筒节翻转机的设计可以摆脱传统机械设计存在的弊端，使得设备样机的加工制造可以在设计更加成熟和完善的前提下进行。对虚拟样机进行性能仿真分析可以避免反复制造物理样机进行测试所带来的种种困难。同时，在进行三维虚拟建模的同时还可以生成所有设计尺寸的系统化参数统计表，这对于同类型产品的设计具有重大的参考价值，可以大大减少同类型设备设计的工作量。

参考文献

[1]（美）Solidworks著，生信实维公司编译. Solidworks基础建模技术（上）. 北京：清华大学出版社，2003.

[2]（美）Solidworks著，生信实维公司编译. Solidworks基础建模技术（下）. 北京：清华大学出版社，2003.

[3]殷国富，陈永华著.计算机辅助设计与应用.北京：科学出版社，2000.

[4]袁明贵. 基于Solidworks的电动执行器的虚拟设计. 四川大学硕士学位论文， 2003.4.18.

[5]贾宝贤. Solidworks在工业造型设计中的应用. 机械设计与制造， 2003，（4）：116～117.

[6]宁朝阳. Solidworks软件在机械设计中的应用. 现代机械， 2007（2）：43～44，46.

[7]赵汝嘉. Solidworks2001精通与提高篇. 北京：机械工业出版社，2002.

[8]秦慧斌，王宗彦，侯志利著. Solidworks应用技巧. 数字化设计：36～49.

[9]刘国良，刘洛麒著. Solidworks2009完全学习手册-图解COSMOSWorks. 北京：电子工业出版社，2006.8.

[10]Wolfgang Rankl. Wolfgang Effling， Handbuch der Chipkarten 3. Auflage， Publishing House of Electronics Industry. 2002.

[11]William Stallings. Cryptography and Network Sectruity. Publishing House of Electronics Industry. 2004.

[12]Neel Koblitz， Introduction to Elliptic Curves and Modular Forms， Springer-Verlag， 1984.

作者简介：齐谦柱，（1972），男，鞍山铁塔制造总厂机械分厂，工程师，研究方向：机械加工、铸造工艺。

马北一，（1979），女，辽宁科技大学机械工程与自动化学院，工程师，研究方向：新型特种机械的研究与开发。