李占贤，董珈皓，张小川

(1.华北理工大学 机械工程学院，河北 唐山 063210；2.曹妃甸职业技术学院，河北 唐山 063200)

0 引言

随着现代社会的发展，人们对能源的需求量日益增多，核能因其具有高效清洁等优点而备受人们关注。核能是通过核反应从原子核释放的能量，原子核并不是永不枯竭的，在核电站内，每过一段时间就需要对核反应堆进行停机换料。在此期间，需要打开和关闭反应堆压力容器，螺栓拉伸机主要用于反应堆压力容器打开或关闭时主螺栓组件的吊装、运输、安装、预紧和拆卸工作[1]。

在螺栓拉伸机工作过程中，举升机构的各部件之间存在相互影响的现象，遂基于Stewart平台，对螺栓拉伸机举升机构进行改进创新。现已完成螺栓拉伸机机械结构的设计，为验证结构设计的合理性，本文对整机关键位姿进行有限元分析，以检验各受力部件的结构强度，为举升机构的结构优化提供理论基础。

1 举升机构结构

螺栓拉伸机举升机构运动需要6个自由度，Stewart平台能够实现空间内6个自由度的运动，完全可以满足拉伸机的实际动作要求。Stewart平台共包括一个动平台、一个静平台、六个支腿和支腿与动静平台相连接的虎克铰或球铰[2]。上平台与支腿采用虎克铰连接，受安装空间限制，遂将虎克副拆分为两个旋转副；下平台与支腿采用球副连接，大型球铰摩擦阻力大且内部间隙较大，运动精度不高，螺栓拉伸机运动精度要求较高，遂将球副拆分为转动副与虎克副；支腿受力较大，电动缸无法满足其强度要求，遂采用丝杠提升机带动上平台运动。举升机构结构示意图如图1所示。

2 有限元分析

举升机构有限元分析是在不考虑惯性和阻尼影响的情况下，分析各部件在额定载荷作用下的应力与形变[3]。ANSYS Workbench是新一代仿真模拟环境，能够实现与SolidWorks间的无缝连接[4]。

图1 举升机构结构示意图

使用SolidWorks对螺栓拉伸机举升机构初始位姿进行建模，并对各部件材质进行配置。在Solid Works菜单栏点击ANSYS Workbench可直接跳转到分析软件中，对下平台施加固定约束，在上平台上施加竖直向下的额定载荷，之后对模型进行网格划分，网格数为56 324，节点数为106 781，网格的疏密程度会直接影响到计算结果的精度。

首先对上平台处于最上端并与下平台同心且平行的情况(即初始位姿)进行分析，此时定义为位姿1，分析结果如图2所示。最大应力与应变出现在支腿上，最大应力达到293.7 MPa，为丝杠提升机的选型提供了理论基础；最大变形为0.75 mm，发生在上平台上，对整机的运行不构成影响。

其次对上平台处于最上端且上平台运动到运动范围边界的情况进行分析，此时定义为位姿2，在SolidWorks中对原始模型的上平台进行移动与转动，完成之后在ANSYS点击Solve按钮，即可得到最新分析结果，如图3所示。此时，6个支腿受力不均，最大应力与应变发生在下平面虎克铰上，应力最大值为304.37 MPa，这对虎克铰材质的确定提供了理论基础；最大形变同样发生在上平台上，达到3.11 mm。

图2 位姿1有限元分析结果

图3 位姿2有限元分析结果

最后对上平台处于最下端且上平台运动到运动范围边界的情况进行分析，此时定义为位姿3，在SolidWorks中对原始模型的上平台进行移动与转动，完成之后在ANSYS点击Solve按钮，即可得到最新分析结果，如图4所示。此时，6个支腿受力不均，最大应力与应变发生在上平台铰链上，应力最大值为225.6 MPa，为铰链材质的确定提供了理论基础；最大变形同样发生在上平台上，达到5.55 mm。

图4 位姿3有限元分析结果

3 结语

通过ANSYS有限元分析可知Stewart平台各部件的应力与应变值，为各部件的材质选型奠定了基础。在各个位置，上平台都发生了一些形变，在极限位置时的最大变形为5.55 mm，这对整机的运行会造成较小的影响，在控制程序中添加补偿值，可减小变形所带来的影响。由分析可知，Stewart平台结构符合设计要求，该项研究为样机的进一步优化与研制提供了依据。

参考文献：

[1] 朱成军.整体主螺栓拉伸机在AP1000应用的可行性分析[J].设备管理与维护,2016(9):80-81.

[2] 赵洁修,胡德计.Stewart六自由度动平台结构优化设计[J].机械工程与自动化,2014(5):11-13.

[3] 张海伟,李建国.基于Stewart平台的并联机床静刚度分析[J].组合机床与自动化加工技术,2015(6):42-43，57.

[4] 王在伟,焦青.SolidWorks与ANSYS之间的数据交换方法研究[J].煤矿机械,2011,32(9):248-250.