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装箱翻包机是物流成套装备中的重要设备之一，而回转架是其主要的工作部件，其工作过程是：货物传输到回转架底部后，油缸的作用力使回转架绕轴承轴线旋转 90°，实现货物的装箱翻包，货物移走，油缸回行，带动回转架回转，回到初始位置，进行下一个货物传送。我公司某型号的装箱翻包机生产能力为 45 箱/小时，每箱 300kg。在实际运行工作中，由于回转架受到交变的循环应力，容易产生疲劳断裂，因此，有必要借助先进的数字模拟分析技术对其结构进行分析，并为设计提供理论依据。回转架数字模拟的难点在于有限元分析所需的边界条件及约束难以合理的确定。
1 分析方案
1. 1 分析工具的选择
翻包机回转架的数字模拟主要指运动仿真及有限元分析。目前，大型通用有限元分析软件在汽车、航空、机械、材料等许多行业得到了广泛应用，其中最为著名的有：ANSYS、NASTRAN、ABAQUS 以及 HYPERWORKS 等。这些软件虽然功能强大，但都价格不菲，并存在对工程师要求高的缺点。在翻包机回转架的分析中，笔者采用 COSMOS 系列软件，这是因为如下原因。
1）作为装机量最大的有限元分析软件，COSMOS有限元技术易学易用，能够在普通的 PC 机上运行，不需要专业的有限元经验。
2）作为世界上最快的有限元分析软件，COSMOS采用 FFE（Fast finite Element）技术，使复杂耗时的工程分析时间大大缩短。传统的方法在分析装配体时是先把零件拆散，然后一个个分别处理，耗时耗力，又存在计算结果不精确的缺点。COSMOS 提供了多场/ 多组件的复杂装配分析，使得分析能够更好地模拟真实的对象，结果也就更精确。
3）COSMOS 主要功能模块如 CosmosWorks、CosmosMotion 作为标准插件无缝集成在 SolidWorks 中。CosmosWorks 提供静力分析、热分析、频率分析、设计优化等功能，能够满足一般的工程分析需要。CosmosMotion 是一个全功能运动仿真软件，它可以对复杂机械系统进行完整的运动学和动力学仿真分析，自动划分系统中的零件运动类型及运动副情况，得到系统中各零、部件的运动情况，包括位移、速度、加速度和作用力及反作用力等。最为重要的是，它还可将零、部件在复杂运动情况下的复杂载荷情况直接输出到 CosmosWorks 等主流有限元分析软件中，以作出正确的强度和结构分析。
1. 2 分析方案的确定
翻包机工况是一个运动反复的过程，属于结构动力学范畴，如果用静力学分析将与真实工况产生较大的误差。所以，在确定分析方案时要综合考虑其运动分析、有限元分析以及疲劳分析等方面的因素。因此，确定其分析方案流程如图1 所示。
图 1 表明，用 SolidWorks 建立回转架的几何模型，在 CosmosMotion 中建立运动关系并施加作用力进行运动仿真，得到其构件的受力，这些力将作为 CosmosWorks 中进行有限元分析和疲劳分析的载荷与约束条件，最终的分析结果作为改进结构设计的理论依据。
2 回转架有限元模型的建立
2. 1 回转架几何模型
回转架长 3150mm，宽 2382mm，高 2105mm，整个结构大部分采用角钢和 120mm × 120mm × 5mm 的方钢管。根据回转架的结构特征，进行几何实体建模前，需对计算模型进行一些合理的简化，一些小的细节可不必在模型中体现，这并不影响分析所要求的精度。建模过程中，采用由下向上的方式，考虑到焊接接触的特点和结构实际使用过程中破坏的位置，将结构中的焊接件处理为一个完整的零件。此外，为了控制解题模型规模，简化建模，在保证分析精度的前提下，略去了对结构强度和刚度影响甚小的圆角与倒角，对焊接过渡部分也略去不计。采用 SolidWorks 建立的回转架几何模型如图 2 所示。
完成实体建模进入 CosmosMotion 后，系统能根据模型的 CAD 装配条件自动建立运动关系，根据实际情况，按照表 1 进行调整。
运动仿真能得到回转架在工作过程中的角速度、角加速度以及反作用力等。分析结果表明，在翻转过程中，回转架的受力情况是比较复杂的，既有货物和结构本身的重力，又有由于加速旋转产生的离心力；同时，这些力由于结构的运动，对结构的作用结果还是不断变化的。
2. 2 回转架有限元模型
运动分析完成后，将得到约束边界条件载入 CosmosWorks 中，根据表 2 建立有限元模型。
2. 2. 1 材料的属性
材料选取低碳结构钢 Q235，该材料的弹性模量 E= 2. 1 × 105GPa，泊 松 比 = 0. 3，屈 服 极 限 σ =235MPa，密度 = 7. 85 × 103kg/ m3。
2. 2. 2 网格的划分
网格越小精度越高，但随着网格的不断细化，应力的增长趋于缓慢，并向某定值靠近，由此可大致确定真实应力的取值。因此，在回转架网格划分时，最好结合局部细化功能并考虑应力集中的影响。由于回转架结构中大量采用方钢管和角钢，其长度、宽度尺寸远远大于厚度的尺寸，所以在网格划分时很多部位必须手动控制单元尺寸，在应力集中处、焊接结构处以及重要的地方使用较密的网格，其 他 地方尽量使用较稀的网格。回转架网格划分结果，共 97778个 节 点，51845个单元，293334个 D. O. F。建立的有限元模型如图3 所示。
2. 2. 3 载荷与约束的处理
载荷和约束施加与工程实际是否吻合直接影响到分析结果的正确性、合理性。在实际工作中，只需分析最不利工况即最大载荷、最大幅度的工况即可。在CosmosWorks 中，载荷与约束直接在几何模型上加载，在求解时自动转换到有限元模型上。由于载荷由 CosmosMotion 中直接传入，不需要额外的调整，而约束是采用"惯性卸载"。"惯性卸载"是将动态问题转化为静态问题求解的一种方法，其含义是：如果物体没有被充分约束，微小的力将使其产生加速度 a，系统将对每一个单元自动应用惯性力 ma 以抵消外部不平衡的力，从而使物体处于平衡静态位置。
3 应力分析结果
应力分析结果表明：结构应力并非对称分布，危险面位于回转架前面，整个结构所受最大 Mises 等效应力为 175MPa，处于回转轴上和轴承连接处，应力分布云图如图 4 所示。图 5 所示是回转架前边线和后边线的结果比较。
通过应力云图，设计者能很方便地找到应力危险区以及结构中刚度薄弱的部位，为进一步改善回转架结构的受力情况、改进结构，减小回转架的重量及减小设计余量提供了理论依据。
4 疲劳分析结果
如果交变载荷是随机的，疲劳与寿命分析应该在频域上进行，反之则是在时域上进行的。翻包机回转架并非受随机载荷，属于时域范畴。其疲劳分析应从结构响应的时间历程中得到应力循环，再采用合适的损伤理论---金属材料的名义应力法进行损伤分析。使用名义应力法估算结构疲劳寿命的基本前提是已知与结构应力集中系数相近的 S-N 曲线，并且在疲劳载荷作用下，结构基本上处于弹性范围。在 ANSYS 的高级疲劳包 FE-SAFE 中查得 Q235 的 S-N 曲线值如表 3所示。
从回转架的工况来看，其应力循环比为 0。综合考虑回转架结构危险部位的名义应力谱和应力集中系数 KT、表面粗糙度、尺寸效应和加载类型等因数，修正得到回转架构件的 S-N 曲线。在本例中，考虑以下因子的取值：加载类型因子（CL =0. 85）表面粗糙度因子（KS = 0. 9）；尺寸效应因子（CS =0. 85）。在 COSMOS 中进行疲劳分析，插值求得其破坏循环数。回转架每小时运货能力为 45 箱，如果每个工作日按 16h 计算，则回转架寿命为 1256 个工作日与实际统计平均的情况比较吻合。
5 结语
本文借助 COSMOS 系列软件，从翻包机回转架运动仿真开始，解决了单纯借助有限元分析工具难以确定边界条件的问题，真实地模拟了回转架工作这一动态过程的受力情况。由于油缸作用力并非加在回转轴的中心而是靠前（如图 2 所示），所以在回转架的动态响应中，前面的轴承及方钢管受力大，是危险的区域所在。最后，在应力分析的基础上，还预测了结构的疲劳寿命，为回转架结构的改进提供了理论依据。本文提供的研究方案可操作性强，对工程应用具有一定的参考价值。
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