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產(chǎn)品輕量化設(shè)計分析范文第1篇

關(guān)鍵詞：老年人；旅行包；以用戶為中心；背負系統(tǒng)；反犯罪

0 引言

中國老齡化日益嚴重，現(xiàn)在老年人生活水平逐漸提高，每年老年人的旅游人數(shù)已經(jīng)占到全國旅游總?cè)藬?shù)的20%以上，成為旅游人群中的重要組成部分。但是經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)：目前大多數(shù)的景點人滿為患，存在安全隱患問題；另一方面老年人這個群體身體狀況和心理的特殊性，普通的產(chǎn)品無使用人群劃分，不能很好地滿足老年人用戶的需求，針對老年人特殊需求而優(yōu)化的旅游設(shè)備是目前的市場空缺，所以開發(fā)設(shè)計滿足老年人需求的旅行設(shè)備顯得迫在眉睫、格外重要。

1 課題來源與研究背景

1.1 老年人群體的特征與現(xiàn)狀

我國老年人口的數(shù)量不斷增長，已經(jīng)成為老年人口最多的國家。隨著老齡化社會的來臨，我國老年旅游市場的人口數(shù)量和規(guī)模是巨大的，老年旅游產(chǎn)品展現(xiàn)出巨大的發(fā)展機遇。老年人群體的經(jīng)濟水平不斷地提高，從消費水平來看，老年人的消費潛力大。而且獨生子女帶來的社會問題，所以越來越多的老年人會選擇通過旅游的方式來充實自己的老年生活。

通過一系列調(diào)研我們發(fā)現(xiàn)老年人這個群體特征跟普通的用戶存在很大的差異：老年人在旅行時通常會攜帶一些常用藥品及自需特殊藥品；喜歡自帶食物，一般會選擇新鮮瓜果、熟食等，同時會準備保溫杯；受身體素質(zhì)的局限性，老年人沒有很好的體力去持續(xù)性的負重，所以旅行包的重量基本是老年旅行者最關(guān)心的問題；老年人喜歡結(jié)伴出行，偏向選擇旅游團；老年人這種弱勢群體在人多口雜的景點容易碰到扒手，人身和財產(chǎn)安全都需要高度重視等。

1.2 老年人旅行設(shè)備市場的空缺

老年人的文化和經(jīng)濟水平的迅速提高，消費觀念也發(fā)生了很大的轉(zhuǎn)變，自然對老年產(chǎn)品提出了更高的要求。雖然目前老年人的生活質(zhì)量和水平引起社會各界的關(guān)注與重視，越來越多專門為老年人群體設(shè)計的產(chǎn)品出現(xiàn)在市面上，但是在有些方面的發(fā)展還是遠遠滯后，跟不上老齡化的速度。比如說像旅行設(shè)備這一系列的產(chǎn)品基本上都以年輕人的市場為主，很多產(chǎn)品都不能滿足老年人的需求，專業(yè)性和針對性都有待加強。

1.3 以用戶為中心設(shè)計理念的重要性

以用戶為中心的設(shè)計是20世紀80年代末興起的一種產(chǎn)品開發(fā)的概念與方法，通過對用戶背景的調(diào)研和分析，站在用戶的角度去考慮他們的操作習(xí)慣和使用情景，建立用戶心智模型，最終做出滿足用戶需求的設(shè)計。尤其是在為弱勢群體設(shè)計產(chǎn)品的時候，他們與普通用戶需求的差異性很大，所以以用戶為中心的設(shè)計理念顯得更加重要。

當人體在老化的過程中，所有感覺器官會呈現(xiàn)不同程度的功能下降。老年人的肢體靈活度變差，肌肉的柔韌性退化，感光能力下降，出現(xiàn)老花眼、對色彩的敏感度降低等，這些參數(shù)的改變都會成為后面設(shè)計的依據(jù)，需要運用人機工程學(xué)方面的知識提供有力的數(shù)據(jù)支撐和保障。而且老年人這個群體成長背景的差異性會影響其操作方式和行為邏輯，我們需要根據(jù)核心用戶重塑心智模型而不是一概而論。

2 老年人旅行包的現(xiàn)狀

本文對現(xiàn)有的一些背包品牌進行了調(diào)研和分析。目前背包市場主要包括兩大類：專業(yè)旅行背包和普通旅行包。盡管從這幾年背包發(fā)展情況來看，背包的背負舒適性成為研發(fā)重點，尤其是專業(yè)旅行包更加注重通風(fēng)性、穩(wěn)定性和貼合性等問題。但是通過對比分析市場上的背包，發(fā)現(xiàn)目前的背包基本上都沒有專門針對老年人群體設(shè)計的，存在市場空缺（見圖1）。同時大連民族學(xué)院的包海默，馮鳴，劉雪飛在論文“以一體化產(chǎn)品開發(fā)流程為基礎(chǔ)的老年產(chǎn)品設(shè)計”中分析了目前市場上的背包對于老年人來說確實存在了很多問題，不管是從功能還是外觀都沒有很好地滿足老年人的需求，需要重新進行設(shè)計。

通過表1我們可以總結(jié)：第一，目前市面上的旅行包外觀、配色均針對現(xiàn)代年輕人審美，以年輕用戶的市場為主。第二，專業(yè)旅行背包的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、功能已經(jīng)相當成熟。一般是針對專業(yè)的戶外運動設(shè)計，價格普遍偏高，容量也很大。而老年人一般比較節(jié)儉，購買的時候會更加考慮價格。第三，普通容量的旅行包不具備背負系統(tǒng)，有背負系統(tǒng)的一般都是針對具有一定強度的戶外運動者。第四，沒有考慮旅行包的安全性，在旅途中如何反犯罪，保護人身財產(chǎn)安全。第五，旅行包的空間分割比較單一、傳統(tǒng)，不能滿足用戶的多元化需求等.

3 老年人旅行包設(shè)計機會點

一個設(shè)計合理的旅行包可以更好地讓老年人享受旅途中的時光，通過前面的調(diào)研與分析，最后我們從背負系統(tǒng)改良、安全性反犯罪、空間再分配和視覺識別這四個方向進行設(shè)計和改良。

背負系統(tǒng)的改良：將適合于高負重長時間跋涉而設(shè)計的其他背負系統(tǒng)針對老年人改進并輕量化。老年人由于身體各項機能的衰退，即使相對較輕的行囊，背負長時間后依舊會造成大量的體力消耗。市面上公認有效的背負系統(tǒng)往往安置于大容量專業(yè)性極強的登山包等設(shè)備上。改良并輕量化的背負系統(tǒng)可以讓包的重量平均分攤在老年人背部及腰部，使之能長時間使用。而且需要考慮老年人會稍微有點駝背，應(yīng)該測量精確的數(shù)據(jù)，利用人機工程學(xué)的原理，讓背包更貼合老年人的背部等因素。

空間再分配設(shè)計：老年人攜帶的食物、衣物、藥物、雜物等旅行必備品與年輕人存在差異。針對性的空間分割便于老年人更好地對自身需要的物品更好的分類存放，在使用時同樣能方便地取出。傳統(tǒng)旅行包收納空間分類并非統(tǒng)一，次級空間分割遍布在包的各個位置，而主體空間一般獨立而唯一。對于老年人而言，并不利于他們對自己物品的分類收納，并在對物品位置的記憶上缺乏系統(tǒng)性指導(dǎo)。經(jīng)過改良后，可以把背包分為雜物區(qū)、食品區(qū)和衣物區(qū)，其中雜物區(qū)、食品衣物區(qū)為硬性分割的兩個空間，食品區(qū)與衣物區(qū)共享主體空間由防水層軟性分割。同時需要對藥品和保溫杯這種特殊物品的存儲進行重點設(shè)計，讓用戶可以便捷的拿取。 物品在收納時有了系統(tǒng)性的分類，因而對某一物品的位置記憶有了更好的指導(dǎo)幫助，提高使用效率。

視覺識別設(shè)計：隨著年齡增長，老年人的整體空間視覺，包括視覺敏銳度和對比敏感度都逐漸衰退。所以我們在設(shè)計旅行包的時候，考慮到老年人視覺上的特殊生理狀況，就需要考慮老年人如何能快速找到自己的包，同時也要最高效找到拉鏈處并打開包拿取物品。所以可以選擇純度比較高的顏色，也可以通過增加色塊的面積大小，讓老年人能快速識別。而且老年人擁有自身的時尚需求，而市面上的旅行設(shè)備只是針對那年輕人口味設(shè)計。針對老年人優(yōu)化的功能同樣可以在視覺上反映，突出老年人旅行包的獨特性。

安全性設(shè)計：產(chǎn)品的安全性是很重要的一個設(shè)計原則，一般主要包括用戶、產(chǎn)品和外在環(huán)境這三個因素，但是在這里重點需要考慮的是產(chǎn)品和外在環(huán)境的安全問題。因為旅游景點通常游客眾多，老年旅行者警惕性下降存在安全隱患。傳統(tǒng)旅行包開啟拉鏈在外容易被扒竊。在設(shè)計的時候可以考慮把拉鏈頭放在比較隱蔽的位置，或者把開口的位置隱藏起來，讓扒手無處下手。

4 結(jié)語

隨著我國老年旅游人口逐年增長，我們必須要以用戶為中心，設(shè)計符合老年人使用的旅行設(shè)備。本文通過針對老年人這個弱勢群體進行了相關(guān)的一些研究和分析，結(jié)合老年人真實的需求重塑心智模型，加入人機工程學(xué)的運用，設(shè)計出針對老年人使用的旅行設(shè)備，并且為之后老年人產(chǎn)品設(shè)計提供相關(guān)參考資料。

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產(chǎn)品輕量化設(shè)計分析范文第2篇

【關(guān)鍵詞】機電一體化 發(fā)展歷程 關(guān)鍵技術(shù) 發(fā)展趨勢

機電一體化最早出現(xiàn)在1971年日本雜志《機械設(shè)計》的副刊上，隨著機電一體化技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)在的機電一體化技術(shù)，是將機械技術(shù)、電工電子技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、接口技術(shù)、信號變換技術(shù)等多種技術(shù)進行有機地結(jié)合，并綜合應(yīng)用到實際中去的綜合技術(shù)。它不是上述技術(shù)的簡單拼湊，而是從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，合理配置各功能單元，使得整個系統(tǒng)具有高質(zhì)量，高可靠性的特點。

機械工程技術(shù)由純技術(shù)發(fā)展到機械電氣化，仍屬傳統(tǒng)機械，其主要功能依然是代替和放大的體力但是發(fā)展到機電一體化后，其中的微電子裝置除可取代某些機械部件的原有功能外，還能賦撲許多新的功能，如自動檢測、自動處理信息、自動顯示記錄、自動調(diào)節(jié)與控制自動診斷與保護等。即機電一體化產(chǎn)品不僅是人的手與肢體的延仲，還是人的感官與頭腦的眼神，具有智能化的特征是機電一體化與機械電氣化在功能上的本質(zhì)區(qū)別?，F(xiàn)代化的自動生產(chǎn)設(shè)備幾乎可以說都是機電一體化的設(shè)備。

1.機電一體化的發(fā)展過程

機電一體化經(jīng)歷了長期的產(chǎn)生于發(fā)展過程，大致分為三個階段：

萌芽階段：20世紀60年代以前為萌芽階段。由于電子技術(shù)發(fā)展迅速，人們逐步使用電子技術(shù)的初步成果完善機械產(chǎn)品的性能。特別是第二次世界大戰(zhàn)后，機械產(chǎn)品與電子技術(shù)的結(jié)合使得許多性能優(yōu)良的產(chǎn)品出現(xiàn)，對戰(zhàn)后經(jīng)濟的恢復(fù)和技術(shù)的進步起到了積極的作用。

蓬勃發(fā)展階段：20世紀70年代至20世紀80年代是蓬勃發(fā)展階段。在這一階段，人們主動地利用新技術(shù)的巨大成果創(chuàng)造新的機電一體化產(chǎn)品。應(yīng)該特別指出的是，日本在推動機電一體化技術(shù)的發(fā)展方面起了主導(dǎo)作用。日本政府于1971年3月頒布了《特定電子工業(yè)與特定機械工業(yè)振興臨時措施法》，要求企業(yè)界“應(yīng)特別注意促進為機械配備電子計算機和其他電子設(shè)備，從而實現(xiàn)控制的自動化和機械產(chǎn)品的其他功能”。這一時期，計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，為基點一體化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

智能化階段：從20世紀90年代開始至今稱為智能化階段。機電一體化技術(shù)向智能化新階段邁進。人工智能技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等領(lǐng)域取得的巨大進步，為機電一體化技術(shù)開辟了發(fā)展的新天地。大量的智能化機械產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。出現(xiàn)了“模糊控制”和“混沌控制”等新概念。

機電一體化的目的是使系統(tǒng)高附加值化，即多功能化、高效率化、高可靠化、省材料省能源化，并使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)向輕薄短小巧化方向發(fā)展，不斷滿足人們的生活多樣化需求和生產(chǎn)的省力化、自動化需求。因此，機電一體化的研究方法并不是拼拼湊湊的“混合”設(shè)計法，應(yīng)該從系統(tǒng)的角度出發(fā)，采用現(xiàn)代設(shè)計分析方法，充分發(fā)揮邊緣學(xué)科技術(shù)的優(yōu)勢。

2.機電一體化發(fā)展的共性關(guān)鍵技術(shù)

機電一體化發(fā)展所采用微電子技術(shù)必須解決一些共性關(guān)鍵技術(shù)。這些技術(shù)包括檢測傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)、自動控制技術(shù)、精密機械技術(shù)及系統(tǒng)總體技術(shù)等。各部分所包括的內(nèi)容如下：

檢測傳感技術(shù)：檢測傳感器的檢測對象有位移、壓力、溫度、速度、加速度、流量等物理量，其檢測精度的高低直接影響機電一體化產(chǎn)品的性能好壞。檢測傳感技術(shù)的主要難點在于提高可靠性、精度和靈敏度。

信息處理技術(shù)：信息處理技術(shù)包括信息的輸入、變換、運算、次數(shù)和輸出技術(shù)。信息處理是否及時正確，直接影響機電一體化產(chǎn)品的質(zhì)量和效率，因而成為機電一體化產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)。在信息處理技術(shù)方面存在的問題有減輕重量、提高處理速度、提高可靠性和抗干擾能力以及標準化、提高操作性及便于維修保養(yǎng)等。

自動控制技術(shù)：自動控制技術(shù)包括高精度定位控制、速度控制、自適應(yīng)控制、自診斷、校正、補償、再現(xiàn)、檢索等技術(shù)。其技術(shù)難點是現(xiàn)代控制理論的工程化與實用化，以及優(yōu)化控制模型的建立等。

伺服驅(qū)動技術(shù)：伺服驅(qū)動技術(shù)主要是指執(zhí)行元件中的一些技術(shù)問題。伺服驅(qū)動包括電動、氣動、液動等各種類型。希望之星元件滿足小型、重量輕和輸出功率大等三個方面的要求，以及提高對環(huán)境的適應(yīng)性和可靠性。

精密機械技術(shù)：機電一體化產(chǎn)品對精密機械提出的新要求有：減輕重量、縮小體積、提高精度、提高剛度、改善動態(tài)性能等。

系統(tǒng)總體技術(shù)：系統(tǒng)總體技術(shù)是以中國從整體目標出發(fā)，用系統(tǒng)的觀點和方法，將總體分解成若干功能單元，找出能完成各個功能的技術(shù)方案，再把功能和技術(shù)方案組合成方案組進行分析、評價和優(yōu)選的綜合應(yīng)用技術(shù)。機電一體化產(chǎn)品要求系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性很好，否則即使各個部分的性能、可靠性都很好，性能和產(chǎn)品也很難保證正常運行。

3.機電一體化發(fā)展趨勢

隨著科技的發(fā)展和經(jīng)濟的進步，對機電一體化技術(shù)提出了許多新的和更高的要求，出現(xiàn)了新的概念。如數(shù)控技術(shù)、CNC、FMS、CIMS及機器人等都被一致認為是典型的機電一體化技術(shù)、產(chǎn)品及系統(tǒng)。機電一體化的發(fā)展趨勢有以下幾點：

高性能化：高性能化一般包含高速化、高精度、高效率和高可靠性。新一代CNC系統(tǒng)就是以此“四高”為滿足生產(chǎn)急需和人誕生的?？蓪崿F(xiàn)告訴數(shù)據(jù)傳遞，在相當高的分辨率情況下，系統(tǒng)仍有高速度，此外其效率也非常高。

智能化：人工智能的研究日益得到重視，其中機器人與數(shù)控機床的智能化就是重要應(yīng)用。智能機器人通過視覺，觸覺和聽覺等各類傳感器檢測工作狀態(tài)，根據(jù)實際變化過程反饋信息并作出判斷與決定。數(shù)控機床智能化，使用各類傳感器對切削加工前后和加工過程中的各種參數(shù)進行監(jiān)測，并通過計算機系統(tǒng)做出判斷，自動對異?，F(xiàn)象進行調(diào)整和補償。

此外，機電一體化發(fā)展趨勢還有系統(tǒng)化，輕量化及微型化等

參考文獻：

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[2]機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 張建民 北京理工大學(xué)出版社 2006.2

產(chǎn)品輕量化設(shè)計分析范文第3篇

Abstract： The beam of the pressing device is an important part of a large-sized power transformer winding machine. In order to make the beam of the pressing device more reasonable in the condition of having enough strength and rigidity， its finite element model is established and ANSYS Workbench is utilized to make static analysis. The Analytical results show that its strength and stiffness have a larger margin. Based on the analysis results， the structural optimization of the beam model is optimized by "reducing material waste and improving product performance". Under the premise of meeting the design requirements， the structural steel， stiffener bar and local structure of the beam are optimized. The optimization results indicate that， the weight of the beam is reduced by 28.9% and the strain is more uniform. This research method can provide a basis for the design and optimization of the beam of the winding machine. It has practical value.

關(guān)鍵詞： 繞線機；橫梁；有限元分析；優(yōu)化設(shè)計

Key words： winding machine；beam；finite element analysis；optimization design

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）11-0120-03

0 引言

隨著我國經(jīng)濟快速穩(wěn)步地發(fā)展，電力的需求量也越來越大，變壓器作為電力行業(yè)輸變電的基礎(chǔ)設(shè)備，在電力行業(yè)中占據(jù)著十分重要的位置，其需求量與日俱增[1-2]。作為變壓器制造的核心工序，變壓器線圈的繞制質(zhì)量對整個變壓器性能極為關(guān)鍵，而線圈繞制的技術(shù)水平很大程度上依賴于繞線機的技術(shù)水平，因此國內(nèi)外的變壓器制造廠家都十分重視先進繞線機技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用[3]。目前性能先進的變壓器繞線機大部分是進口設(shè)備，價格昂貴，并且由于使用國外型號的元器件，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障后維修成本高、時間長[4-6]。

本文所研究的帶壓緊裝置的大型變壓器臥式繞線機是于國與內(nèi)企業(yè)合作設(shè)計，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，由主軸箱、尾座、底座、壓緊裝置和控制裝置等組成，特點是其壓緊裝置采用與主軸同心擺臂結(jié)構(gòu)，壓緊裝置橫梁通過支撐臂安裝在主軸箱和尾座的上方，壓緊裝置工作臺可沿橫梁導(dǎo)軌與繞組繞制過程實現(xiàn)同步水平移動，壓緊頭在伺服電機的帶動下實現(xiàn)升降和壓緊。

壓緊裝置橫梁是大型變壓器繞線機中重要部件，在生產(chǎn)實際中能夠影響整個繞線機的穩(wěn)定性和線圈的繞制質(zhì)量。為了使橫梁在滿足強度要求的前提下盡量減輕其自重以及減小壓緊頭處的位移，利用SolidWorks建立了該橫梁的有限元模型，并用ANSYS Workbench對其進行靜力學(xué)分析，根據(jù)分析結(jié)果對其尺寸和局部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，有效減輕橫梁自重并使壓緊頭處的位移滿足要求，增強繞線機的工作性能，對大型繞線機壓緊裝置橫梁的設(shè)計分析有一定的參考價值。

1 壓緊裝置橫梁的靜力學(xué)分析

1.1 有限元模型的建立、約束和加載

采用有限元法對壓緊裝置橫梁進行仿真分析，首先要依據(jù)橫梁的機械結(jié)構(gòu)，建立其幾何模型[7-8]。繞線機壓緊裝置橫梁為矩形鋼管焊接而成，橫梁兩側(cè)通過兩根支撐臂分別固接在主軸箱和尾座箱體上，橫梁主體上面的兩個導(dǎo)軌用來支撐繞線機壓緊裝置工作臺。其主要的技術(shù)參數(shù)如下： 矩形鋼管的厚度：13mm，橫梁的長度：6668 mm，橫梁截面的高度：250mm，橫梁截面的寬度：150mm，橫梁的重量：0.97t。橫梁實體模型作適當簡化，不考慮工藝上要求的倒角，部分圓角過渡簡化為直角，導(dǎo)軌安裝孔也不予考慮，在分析中認為螺栓連接和焊接的質(zhì)量可靠，整個橫梁結(jié)構(gòu)作為連續(xù)體處理且不考慮局部應(yīng)力。

將壓緊裝置橫梁初始設(shè)計模型導(dǎo)入ANSYS Workbench。材料的參數(shù)設(shè)置為：材料為Q235，彈性模量為200MPa，密度為7850kg/m3，泊松比為0.3。橫梁有限元模型如圖2所示，采用智能劃分與手動劃分相結(jié)合的方式劃分網(wǎng)格，得到最精準的Mesh結(jié)果，共有77655個節(jié)點，27290個有限單元。約束和加載如表1所示。

1.2 橫梁結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析

為了得到應(yīng)力和變形結(jié)果需對橫梁初始設(shè)計模型進行有限元分析，當壓緊裝置運行到橫梁中間位置時結(jié)構(gòu)處于最不利狀態(tài)，因此如中間位置加載滿足要求，則其他位置加載必定能滿足要求，因此本文主要進行中間位置加載的靜力學(xué)分析[9-10]。

圖3為壓緊裝置橫梁最不利工況分析結(jié)果的應(yīng)力圖和應(yīng)變圖。根據(jù)圖3（a）可以看出，最大應(yīng)力49.753MPa，根據(jù)橫梁所用材料，其所受的最大應(yīng)力遠遠小于許用應(yīng)力，所以在以后的研究中結(jié)構(gòu)的應(yīng)力可以作為參考。圖3（b）為壓緊裝置橫梁最不利工況的變形圖。根據(jù)變形云圖可以看出，橫梁中部位置變形最大，而橫梁得兩端變形較小，其最大變形量為1.0173mm，小于許用變形量2mm的要求。顯而易見，橫梁結(jié)構(gòu)的強度剛和度均符合設(shè)計要求。

2 橫梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

繞線機壓緊裝置橫梁的設(shè)計基本上沿用經(jīng)驗設(shè)計，往往為了滿足工作要求而采用較為保守的數(shù)據(jù)，而造成材料的極大浪費及結(jié)構(gòu)的增重。有限元靜力學(xué)分析可知，橫梁的初始設(shè)計存在極大的剛度裕量，結(jié)構(gòu)的承載能力也沒有得到充分的利用，從降低成本的角度出發(fā)，完全可以采用更少的材料且保證橫梁結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。

2.1 橫梁尺寸優(yōu)化

橫梁采用的是矩形鋼管結(jié)構(gòu)，強度和剛度受鋼管壁厚的影響較大。在滿足其許用強度和剛度的前提下，可采用不同的鋼管厚度來對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。分析對比結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出：橫梁結(jié)構(gòu)的鋼管壁厚不同，其應(yīng)力、變形和質(zhì)量也不同，在滿足強度、剛度要求的前提下，最佳結(jié)果是第4組，其最大變形量1.7802mm，最大應(yīng)力87.119MPa，均小于許用值，且重量比初始模型結(jié)構(gòu)減輕21.8%。但是第5組雖然最大變形量為2.1365mm，超出許用變形量0.1365mm，但其最大應(yīng)力103.560MPa并未超出最大許用值應(yīng)力，且重量減輕29.2%，從減輕自重的角度看其優(yōu)化結(jié)果更為明顯。因此，有必要對第4組和第5組的橫梁進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，以在滿足其許用強度和剛度的前提條件下，得到最優(yōu)設(shè)計結(jié)果。

2.2 橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

第5組分析結(jié)果應(yīng)力、應(yīng)變云圖如圖4所示。

最大應(yīng)力出現(xiàn)在橫梁與支臂相連的根部，橫梁中部變形最大，橫梁兩端的變形較小。為了增強橫梁結(jié)構(gòu)的強度、減小壓緊裝置工作臺的垂直度誤差、增強X軸和Y軸的剛度，在橫梁的兩端焊接封口板并在橫梁和支臂連接板之間分別增加厚度30mm材質(zhì)為Q235的三角形加強筋板。按照改進后第4組和第5組鋼管尺寸，在約束、載荷及其它參數(shù)不變的情況下進行局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。采用SolidWorks三維建模軟件構(gòu)建的新橫梁結(jié)構(gòu)幾何模型如圖5所示。

在ANSYS中建立改進后新模型結(jié)構(gòu)，重復(fù)上述過程對其進行有限元仿真模擬，分析結(jié)果對比如表3所示。由表可知，改進后第五組模型，最大變形量1.7946mm，最大應(yīng)變89.395MPa，其應(yīng)變、應(yīng)力均符合要求，重量減輕28.6%，且應(yīng)力分布更為均勻。

綜上對比，該尺寸與結(jié)構(gòu)同時優(yōu)化的方案對改善橫梁的結(jié)構(gòu)和受力是最有效的，且重量減輕28.9%，很好的實現(xiàn)了“減少材料浪費，提高產(chǎn)品性能”的優(yōu)化目標。

3 結(jié)論

①通過對大型變壓器繞線機中的關(guān)鍵部件橫梁結(jié)構(gòu)的有限元靜力學(xué)分析，得到約束載荷工況下的應(yīng)力和位移云圖，從而分析評價該結(jié)構(gòu)的強度及剛度等靜力學(xué)特性，分析結(jié)果表明橫梁初始結(jié)構(gòu)設(shè)計保守，結(jié)構(gòu)足夠安全以至于過剩，有對其結(jié)構(gòu)進行“輕量化”優(yōu)化的必要。

②以“減少材料浪費，提高產(chǎn)品性能”為優(yōu)化目標，選擇橫梁鋼管尺寸和局部結(jié)構(gòu)同時進行優(yōu)化的方案，最終得到重量減少28.9%且應(yīng)力分布更為均勻的最佳優(yōu)化結(jié)果。既保證了橫梁的剛度和強度要求，又減少了原材料的浪費，同時還提高了繞線機的穩(wěn)定性，對于大型變壓器繞線機的設(shè)計具有較好的指導(dǎo)意義。

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