基于SolidWorks平台的管片车结构受力分析研究.pdf

制造与工艺 Manufacturing and Process30 今日制造与升级 2023.61 分析背景随着国内外各大城市地铁及引水隧道的建设逐步发展增多，盾构机施工的辅助设备也越来越受海内外市场青睐，除牵引机车之外，还有众多后配辅助设备保障施工项目顺利实施。这其中包括管片车、渣土车、砂浆车、平板车及人员运输车等车型，均为不带动力的车型。目前管片车结构的设计工作均以参考经验设计为主，组成钢结构的各部件均为经验取值，理论设计完成后的受力计算仅依靠简单的物理计算，无法计算结构的各个局部位置的具体受力情况。本研究利用 solidWorks 三维软件对整个钢结构进行受力分析，受力图可清晰显示结构薄弱点，对钢结构的设计工作具有理论上的指导意义。2 基于SolidWorks平台的管片车结构三维建模及受力分析2.1 管片车的钢结构三维建模管片车钢结构的二维设计初稿总图形成后，可以基于 solidworks 三维设计软件对形成的总体结构图纸进行三维受力验证。这种做法的目的是在投入生产之前对钢结构进行受力验证，这种验证可以在理论上显示结构薄弱点，并基于验证结果对部分结构进行补强。管片车在三维建模时，首先需注意该结构必须为一整个零件的绘制，不可以使用零件拼接方式进行三维建模，这样做的目的是为了使三维模型顺利通过网格化；其次在三维建模的过程中不允许出现实体交叉干涉的情况。遵循以上原则对管片车进行了三维建模，管片车钢结构三维模型如图1所示。（a）正面（b）底部图1 管片车钢结构三维模型2.2 管片车钢结构三维模型的夹具设置管片车的钢结构三维建模成功后，需要根据该结构在使用过程中的具体受力情况，确定该结构的向上支撑受力面。管片车使用时将管片放置于钢结构的正面，结构上部受到管片所形成的重力。该重力的数值按照管片车的最大载重计算（该型号管片车最大载重为15t）；夹具的设置原则为找到向上支撑的受力面，该面有可能是一个面，也有可能是几个面。这几个面与管片所提供的重力在该结构上形成支反力，使结构达到平衡状态，夹具是指受到重力作用的钢结构提供给整个结构的支撑面。由于管片车为2轴4轴箱结构，4个轴箱与整个钢结构的接触面为夹具的设置摘要文章介绍利用 SolidWorks 三维软件进行钢结构的建模及理论受力分析。以工矿机车后配套管片车的钢结构为例，研究如何有效进行三维建模并且避免计算过程网格化的失败；讲述在钢结构上选择固定夹具面，选择受力面及施加压力的过程和计算受力并得到输出计算结果的具体过程。总结利用 SolidWorks 三维软件计算得出的受力和形变图像分析整个钢结构的受力薄弱点，利用计算结果的图像指导设计人员进行结构设计补强，减少因结构质量造成的售后服务问题。关键词管片车钢结构；受力分析；SolidWorks中图分类号TP45 文献标志码A基于SolidWorks平台的管片车结构受力分析研究孛琪山（中车兰州机车有限公司，甘肃兰州730070）制造与工艺 Manufacturing and Process2023.6 今日制造与升级 31面，如图2所示，箭头所选4个面为轴箱与结构直接接触的4个面，是整个钢结构的夹具设置面。力-1数值：14700N图2 夹具设置面2.3 管片车钢结构三维模型的受力设置管片车的夹具设置成功后，需要在该型管片车的正面将所有管片的重力通过物理公式换算成单位为 n 的力。该管片车换算完成后整个钢结构正面的受力为147000n，该力在整个钢结构上的作用分为左右两个面，在判别钢结构的受力面时，要做到将所有受力面均考虑到，并且在施加力时要选取所有受力面，将所有的力均匀布置在所选的各个受力面上，三维软件会将总的受力按照各个面的受力面积的比例进行分配，如图3所示。该管片车正面结构的受力为左右两个斜面，箭头所示区域为该结构的受力面。图3 受力布置面2.4 管片车三维模型的材料选择管片车的受力设置成功后，需要根据软件提示选择该结构的主要材料，管片车钢结构的主要材料为 Q235，在软件提供的众多材料中选择普通碳钢进行材料定义，如果结构是其他材料，也可以选择其他的材料进行结构定义。2.5 运行算例并输出计算结果在材料选择成功后，接下来的步骤是计算前的验证。该步骤在软件上显示为网格化步骤，该步骤有两个目的，第一个目的是将结构整体划分为数万个甚至数十万个微小的单元来进行受力研究，第二个目的是检验三维建模时该钢结构的绘制过程是否出现了结构干涉现象，如果结构出现了干涉现象，该结构的网格化过程会出现错误，出现错误后整个结构的受力运算会无法进行，此时应该返回到第一步三维建模消除所有干涉后再进行运算；运算时可根据软件导航运行算例，此时软件可根据夹具情况、受力面位置、每个受力面均摊的受力、结构材料及结构网格化情况进行内部复杂运算，运算完成后输出计算结果，从输出的图4可以清楚地看到结构的薄弱点，并在图上读出最大受力点的强度值并与材料屈服强度进行比较，从而算出结构的安全系数。图4中，在钢结构的最大受力点，可以读出其所受力按照强度计算为20.65MPa，安全系数为材料屈服强度与该点受力强度的比值，可以算出该型管片车的受力安全系数为10.68，依据钢结构设计原理，其安全系数的设置一般为1.5 1.8，证明该型管片车初始设计是合理、可靠的。最小：最大：5.226e-0032.0666e+0012.066e+0011.894e+0011.721e+0011.549e+0011.377e+0011.205e+0011.033e+0018.610e+0006.889e+0005.168e+0003.447e+0001.726e+0005.226e-003屈服力：2.206e+002图4 管片车钢结构受力2.6 根据受力形变图找到结构薄弱点在输出的计算结果中，图5显示了在受力情况下组成钢结构的各个板件的变形趋向，可以根据这个变形趋向看到哪个板件是该结构中变形趋向最大的，然后在设计过程中有意增大该部位的板件厚度及强度，从而达到结构设计平衡。从图5可以看到连接纵梁的筋板变形趋向最大，该板的最大变形量为0.204mm，可在具体设计过程对该板进行增强设计。最大：2.040e-0011.700e-0011.530e-0011.360e-0011.190e-0011.020e-0018.499e-0026.799e-0025.099e-0023.400e-0021.700e-0021.000e-030最小：1.000e-030图5 管片车钢结构变形位移趋向3 结束语随着国内外地铁行业的快速发展，工矿机车后配套作为地铁盾构施工最主要的辅助设备，其钢结构的稳定性尤为重要，稳定的钢结构会大幅减少售后服务问题，减少企制造与工艺 Manufacturing and Process32 今日制造与升级 2023.6业在该领域售后服务的预算，节省成本和施工方的时间，提升了工程施工效率；而随着国际市场的逐步开拓，该研究也可与国际市场接轨，为甲方提供更好的设计服务，对结构设计制造有重大意义。参考文献1 尤世杰.试论机械加工中的工装夹具定位设计J.工业技术，2019（15）：45.2 欧长劲，苏之晓，李燕.基于solidworksaPi参数设计及智能装配研究J.轻工机械，2012（5）：69-72.作者简介孛琪山（1990），男，甘肃定西人，本科，工程师，主要研究方向为结构制造、焊接。1 不规则零件的装夹特点和要求1.1 不规则零件装夹特点（1）形状复杂。不规则零件的形状一般比较复杂，导致夹具的设计和制造成本高，制造周期长。（2）特殊性质。不规则零件往往是一些组件中的辅助部件，需要在关键地方进行切削和加工，对装夹要求特殊。（3）制造精度高。不规则零件需要高精度的夹持，以保证生产工艺的质量要求。（4）夹持加工难度大。不规则零件由于形状复杂，尺寸大小不一等原因，其夹持加工难度相对较大，生产效率较低。1.2 不规则零件装夹要求（1）稳定性。装夹后零件应该保持稳定不移动，以确保加工精度。（2）安全性。夹具应该稳固可靠，防止发生意外事故。（3）简便性。夹具应该简单，易于操作和维护。（4）适应性。夹具应该能够适应不同形状和尺寸的零件，并能够适应不同的加工工艺需求。（5）经济性。夹具装夹时间快，成本应该尽可能低。2 目前常见的装夹夹具2.1 普通台虎钳普通台虎钳又称老虎钳，由固定钳体、活动钳体、滑芯、螺杆（丝杆）、钳座和手柄等组成。2.1.1 工作原理旋转螺杆（丝杆）带动活动钳口移近或离开固定钳口，以达到夹紧或松开工件的目的。2.1.2 优缺点（1）优点。普通台虎钳的设计结构稳定，操作简单，能够夹紧物品并保持稳定不松动，装夹可靠性较高。（2）缺点。普通台虎钳钳口是平直的，只能在特定方向上夹持物体，装夹灵活性和使用范围有限。2.2 V型夹具V 型夹具是通过控制 V 型夹爪的张合，夹住零件并稳固地固定在夹具上，使其能够进行各种类型的加工。可以通过调整夹具的夹角来适应多种形状的零件夹持如圆柱形零件、圆锥形零件和圆环形零件等。V型夹具的优缺点如下。（1）优点。对零件的精度要求较低，而且夹持力较强，避免了零件的移动和抛落。与普通台虎钳相比，V 型夹具摘要不规则零件是机械加工中常见的一类零件，由于其形状不规则，加工难度较大。装夹是加工不规则零件的关键，装夹不良会影响整个加工过程的效率和质量。文章首先介绍不规则零件装夹特点和要求，其次分析常见的装夹方式的适用范围及其优缺点，再次，提出了不规则零件装夹的新方案，最后，通过应用案例验证新方案的可行性和优越性。关键词不规则零件装夹；异形工件；装夹加工改进中图分类号TG75 文献标志码A不规则零件的装夹方法冼健（信宜市职业技术学校，广东信宜525300）