基于Simulation模块的升降回转测试平台底座结构优化设计

范明星， 苏建新， 吕玉湖

(1.开封大学 机械与汽车工程学院， 河南 开封 475005；2.河南科技大学 机电工程学院， 河南 洛阳 471003； 3.开封大学 阀门学院， 河南 开封 475005)

测试平台是许多领域的必用装备之一[1]。我国的测试平台设计技术起步较晚，虽然近年来随着各领域工业自动化水平的提升得到了发展，但与发达国家相比还有一定的差距[2]。与欧美国家相比，我国测试平台相关企业的自主创新能力、竞争能力、关键零部件的加工技术水平还相差较大。本文针对一种升降回转测试平台底座，利用SolidWorks软件进行三维建模；为了检验其安全性，在Simulation模块中进行有限元分析；同时在保证测试平台安全的情况下，对测试平台的底座结构进行优化设计。

1 升降回转测试平台的总体结构

作为本文研究对象的底座，安装在升降回转测试平台上。该测试平台是为满足户外测试作业需要而设计的。它能够上下移动500 mm(即最大升降行程)，旋转360°；适用于质量为15 kg、长度为280 mm、宽度为250 mm、高度为300 mm的被测试件。其转速范围为2～10 r/min。该测试平台包括旋转装置和升降装置两部分[3]。升降回转测试平台的总体结构如图1所示。

图1 升降回转测试平台的总体结构Fig. 1 Overall structure design for the lifting and rotary testing platform

2 底座结构的有限元分析

在升降回转测试平台中，底座决定了整个平台的平稳性。因此，对升降回转测试平台底座结构进行有限元分析，了解底座结构性能的优劣，很有意义。在分析前，应对其三维模型进行合理简化。鉴于该底座为四分之一对称结构，为减小计算量，可适当对三维模型进行简化，只保留模型的四分之一结构[4]。建立模型后，可通过有限元仿真对底座结构进行应力和应变分析[5]。

2.1 方形底座结构

对方形底座结构进行合理简化，并设定了边界条件。由于只是分析升降回转测试平台的底座结构，因此可将升降回转测试平台的其余零件视为刚性件，以减少计算量。

首先对底座结构进行网格划分，施加载荷，并将横向力加载到直线轴承上，竖向力加载到滚珠丝杆螺母上；然后为每个对称平面添加对称约束，并在与底座底部相连的支脚下表面添加固定约束；最后进行静力学分析。图2所示为方形底座四分之一结构的应力云图和位移云图。

(a) 应力云图 (b) 位移云图图2 方形底座四分之一结构的应力云图和位移云图Fig. 2 Stress nephogram and displacement nephogram of quarter structure for the square base

由图2可以看出，方形底座所受应力较大，相应位移也较大，实际使用中平稳性较差，需要进行结构优化。最简单的结构优化方案是增大方形底座框架和底板的厚度。可在适当增大底座框架和底板的厚度之后，再次导入模型，在边界条件不变的情况下重新进行仿真分析。分析结果显示，位移可减少至原来的三分之一，但底座质量增加了43.32%，增大了材料的使用量。因此，增加底座厚度的改进方法并不可行。

2.2 圆形底座结构

针对圆形底座结构，设置与方形底座结构相同的边界条件，进行静力学分析。图3所示为圆形底座四分之一结构的应力云图和位移云图。图4所示为圆形底座四分之一结构的质量属性仿真结果。

(a) 应力云图 (b) 位移云图图3 圆形底座四分之一结构的应力云图和位移云图Fig. 3 Stress nephogram and displacement nephogram of quarter structure for the circular base

图4 圆形底座四分之一结构的质量属性仿真结果Fig. 4 Mass properties of quarter structure for the circular base

对比可知：在质量相近的情况下，采用圆形底座结构比方形底座结构的最大应力降低了50.03%，最大位移减小了67.39%；圆形底座结构比方形底座结构的受力情况有很大改善。因此，圆形底座结构更符合设计要求，本文进行升降回转测试平台底座结构优化设计时，只针对圆形底座结构。

3 底座结构的优化设计

3.1 底座中横梁的优化设计

底座中横梁主要承受竖直向下力的作用。为增强底座的抗变形能力，可在底座的横梁下表面增设加强筋[6-7]；同时，为避免过多耗用材料，应适当减小横梁的宽度和厚度。为便于安装升降和回转构件，在横梁安装位置设计了凸台结构。结构优化前后的横梁模型如图5所示。

(a) 优化前 (b) 优化后 图5 结构优化前后的横梁模型Fig. 5 Beam model before and after structural optimization

将横梁结构优化后的底座模型导入Simulation模块，设定边界条件，对横梁优化后的底座结构进行静力学分析，发现横梁优化后底座结构的应力和位移都比优化前有所减小，其中最大应力减小了37.84%。虽然增设加强筋和凸台会在一定程度上增大结构质量，但对比方形底座结构，其总质量仍然较小。

3.2 底座中框架的优化设计

3.2.1 稀疏大孔改为密集小孔

分析可知，优化底座中横梁后，在使用升降回转测试平台时，其底座中框架的底部与顶部受力较大而中间部位受力较小。若能在其中间部位去除一些材料，则可降低底座的质量，节省原材料[8]。因此，本文将原底座框架的稀疏大孔改为小孔，通过增加小孔数量来减小圆形底座结构的框架质量；同时，加大底部小孔与底座底部的距离，减小小孔之间的距离，以实现底座结构的轻量化设计。稀疏大孔改为密集小孔前后的四分之一框架模型如6所示。

(a) 优化前 (b) 优化后 图6 稀疏大孔改为密集小孔后的四分之一框架模型Fig. 6 A quarter of the frame model before and after changing sparse macropore into dense pore

采用SolidWorks软件的质量属性和设计洞察功能，可得出图7所示稀疏大孔改为密集小孔后四分之一框架的质量属性仿真结果，以及图8所示稀疏大孔改为密集小孔后四分之一框架的设计洞察结果。

图7 稀疏大孔改为密集小孔后四分之一框架的质量属性仿真结果Fig. 7 Mass properties for quarter frame after changing sparse macropore into dense pore

图8 稀疏大孔改为密集小孔后四分之一框架的设计洞察结果Fig. 8 Result of design insights for quarter frame after changing sparse macropore into dense pore

由仿真结果可知：将框架从稀疏大孔改为密集小孔后，应力和质量均可减小，其中质量减小了8.29%；但位移会增大，改后比改前约增大8.29%。

3.2.2 T字形改为工字形加强筋

在加入引力边界条件后，底座框架的位移会增大。为了增强框架承受弯矩作用的能力，本文在将底座框架稀疏大孔改为密集小孔的前提下，采用工字形加强筋来替代原来的T字形加强筋，进一步对底座中框架进行了优化。图9所示为具有工字形加强筋的四分之一框架的应力云图和位移云图。图10、图11所示分别为相应的设计洞察结果和质量属性仿真结果。

(a) 应力云图 (b) 位移云图图9 具有工字形加强筋的四分之一框架的应力云图和位移云图Fig. 9 Stress nephogram and displacement nephogram of quarter frame with I-shaped stiffeners

图10 具有工字形加强筋的四分之一框架的设计洞察结果Fig. 10 Result of design insights for quarter frame with I-shaped stiffeners

从图9-图11可以看出：结构优化后，底座中框架的位移比优化前减小了2.45%，最大应力比优化前增大了0.53%，最大应力出现在应力奇异点处，对底座结构的性能影响不大；加强筋改变后，虽然框架的质量比优化前增大了1.88%，但对底座整体质量的影响很小。

3.3 优化设计结果

本文根据有限元分析结果，设计升降回转测试平台底座的结构和尺寸，并将其余零件装配好，最终确定了图12所示的升降回转测试平台整体结构。结果表明，结构优化设计有效增大了底座的可靠性，提高了材料的利用率，降低了制造成本。

图11 具有工字形加强筋的四分之一框架的质量属性仿真结果Fig. 11 Mass properties of quarter frames with I-shaped stiffeners

图12 底座优化后的升降回转测试平台整体结构Fig. 12 Overall structure of lifting and rotary test platform after base optimization

4 结语

本文针对升降回转测试平台的设计方案，利用SolidWorks软件构建了三维模型，为确保测试平台的安全性，在SolidWorks Simulation模块中对底座装配体进行了有限元分析，在确保升降回转测试平台使用安全的前提下，对底座结构进行了优化。优化后的升降回转测试平台结构简单、制作成本低、实用性强，可以应用于不同的户外环境。在测试平台实际生产中，主要零件的加工精度、装配精度对升降回转测试平台的安全性和平稳性会产生一定影响，而结构设计需考虑多方面的影响，难免有不足之处，因此应不断地进行优化。