基于ANSYS的手套包装机输送机构电机支架设计分析

杨承鑫 蔡吉飞 房瑞明

摘要：为了合理布置电机在手套包装机输送机构中的位置并且保证电机固定后的稳定性，需要对电机支架进行设计分析。利用三维建模软件Solidworks建立电机支架模型，保存为Parasolid格式导入Ansys进行仿真分析，第一次导入的电机支架直角模型由于应力奇异原因无法判断强度条件是否满足，将直角模型改为圆角模型后重新导入Ansys进行仿真分析，得到应力值与变形值，虽然强度条件满足，但是变形量较大，达到0.4mm，在电机支架两侧各添加加强筋板以减少电机支架的变形量，再次导入Ansys进行仿真分析，使电机支架的变形量减小到0.04mm。

关键词：电机支架；应力奇异；变形量；应力

中图分类号：TB48；TB486 文献标识码：A 文章编号：1400 （2021） 06-0021-06

Design and Analysis of Motor Bracket for Conveying Mechanism of Glove Packaging Machine Based On ANSYS

YANG Cheng-xin， CAI Ji-fei， FANG Rui-ming

（Beijing Institute of Graphic Communication， Beijing 102600， China）

Abstract： In order to reasonably arrange the position of the motor in the glove automatic collecting mechanism and ensure the stability of the motor after fixing， it is necessary to design and analyze the motor bracket. The three-dimensional modeling software Solidworks is used to establish the motor bracket model， save it in Parasolid format and import it into Ansys for simulation analysis. The right-angle model of the motor bracket imported for the first time cannot judge whether the strength condition is satisfied due to stress singularity. After changing the right-angle model into a fillet model， it is imported into Ansys again for simulation analysis to obtain stress value and deformation value. Although the strength condition is satisfied， However， the deformation is large， reaching 0.4 mm. Reinforcing rib plates are added on both sides of the motor bracket to reduce the deformation of the motor bracket. The deformation of the motor bracket is reduced to 0.04mm after being imported into Ansys for simulation analysis.

Key words： motor bracket； stress singularity； deformation amount； stress

2020年初，新型冠狀病毒感染肺炎疫情暴发，随后在全球蔓延，医用手套成为了这次新冠病毒肺炎疫情防控中的关键防控物资之一，医用手套的需求量大幅增加，医用手套的气密性检测效率和质量的提高有着巨大的市场。目前国内开发的半自动手套检测设备检测完的手套都是随机掉落在一个集装箱里面，后期需要大量人力和时间对其进行整理，但是市场上没有对检测完成的手套进行整理的设备，迫切需要一套便于提高成品手套包装效率的设备[1，2]。

将检测完成得到的成品手套规整地输送给手套包装机，输送机构平稳输送就起着至关重要的作用，动力装置是手套包装机输送机构的核心装置之一。因为手套输送机构的电机放置位置与空间有一定限制，而且电机固定后的稳定性也有一定限制，因此对电机支架的设计要求就比较严格，根据工厂要求，为了避免电机支架的变形过大使电机、减速机与轴的连接件频繁出现故障影响手套自动收取设备工作效率，在满足强度条件下，电机支架的变形最好控制在0.1mm以内。

利用三维建模软件Solidworks建立电机支架模型，保存为Parasolid格式导入Ansys[3，4]进行仿真分析，第一次导入的电机支架直角模型由于应力奇异[5，6，7，8，9]原因无法判断强度条件是否满足，将直角模型改为圆角模型后重新导入Ansys进行仿真分析，得到应力值与变形值，虽然强度条件满足，但是变形量较大，达到0.4mm，在电机支架两侧各添加加强筋板以减少电机支架的变形量，再次导入Ansys进行仿真分析，使电机支架的变形量减小到0.04mm，达到工厂要求的标准。

1 电机支架模型的建立

利用三维建模软件Solidworks建立手套包装机输送机构和电机支架模型，并建立配合关系，如图1，2所示。

2 有限元静力学分析

2.1 模型导入与参数设置

将保存好的Parasolid格式电机支架文件导入 Ansys Workbench，新建电机支架材料为冷轧钢板，密度设置为7800Kg/m3，弹性模量为2.1*1011Pa，泊松比设置为0.28，如图3所示。

2.2 载荷施加与网格划分

从图1可以看出电机支架一端被固定在墙板上，另一端与减速机、电机相连接，电机支架本身变形对联轴器影响较大，在保证有限元分析模型正确的前提下，为了节省计算资源，提高计算速度，只将电机支架摘出来进行有限元静力学分析。将电机支架与墙板接触的面固定，将电机与减速机简化，按照实际重量以500N载荷的形式施加到电机支架的另一端，如图4，5所示。为了减小网格划分精度对分析结果的影响，分别按照5mm，4mm，3mm，2mm，1mm，0.5mm的精度划分网格。

2.3 求解分析

对5mm， 4mm， 3mm， 2mm， 1mm， 0.5mm等不同精度网格分别进行求解，分别得到最大变形值与最大应力值。

从表1中数据可以已看出，随着网格精度的不断提高，电机支架的应力值不断增大，变形值虽然也在变化，但是变形量的波动却非常小。

根据应力奇异的特性即应力奇异点一般出现在刚性约束和尖角处、受力体由于几何关系，在求解应力函数的时候出现的应力无穷大分析可知电机支架可能在尖角处存在着应力奇异。

根据实际情况可预测到最大应力位置在远离施加载荷的方向，且距离越远，应力越大。为了避免应力奇异对有限元分析结果的影响，将电机支架的直角模型更改为2mm的圆角，之后再进行有限元分析，因为圆角处距离施加载荷位置最远，即应力最大。单独查看圆角处应力值。

3 圆角电机支架静力学有限元分析

将电机支架的直角改为圆角如图6所示，其余预处理条件不作更改，再次进行有限元分析，不同网格精度下变形与应力结果如图7，8所示。

3.1 不同網格精度下的应力结果

3.2 不同网格精度下的变形结果

从表2数据可以看出，在电机支架为圆角下，随着网格精度的提高，电机支架的变形值基本稳定在0.428mm，即电机支架的变形受网格精度的影响较小；电机支架应力值虽然也在增大，但是增长趋势逐渐减小，逐渐收敛到81Mpa与82Mpa附近，可见用圆角取代直角避免了应力奇异的干扰，可较为准确得出电机支架的最大应力值，为判断电机支架是否满足强度条件提供了准确的判断依据。

电机支架的材料为冷轧钢板，屈服强度为220Mpa，电机支架的最大应力值为82Mpa，远远低于材料的屈服强度；但是电机支架的变形量为0.428mm，与工厂要求的变形量控制在0.1mm以内有较大改进空间，为了在不降低电机支架强度的条件下，使电机支架的变形量控制在0.1mm以内，考虑在电机支架两外侧各添加2mm宽度的加强筋，之后再重新导入Ansys进行有限元分析。

4 加强筋圆角电机支架静力学有限元分析

电机支架的直角改为圆角并且加上将强筋如图9所示，其余预处理条件不作更改，再次进行有限元分析，不同网格精度下变形与应力结果如图10，11所示。

4.1 不同网格精度下的应力结果

4.2 不同网格精度下的变形结果

从表3中可以看出，在圆角电机支架的基础上，在电机支架两侧各添加一根加强筋后，使电机支架圆角处的最大应力由82Mpa降低到5.4Mpa，电机支架的最大变形量由0.427mm下降到0.0473mm，强度和变形量都满足工厂的要求，即能够保证收手套机构电机部分正常运行。

5 结论

1）根据三组有限元分析数据中可以看出，网格精度对应力的影响较大，随着网格精度的不断细化，应力值整体波动较大，而变形值几乎不怎么变化。

2）应力奇异点一般出现在刚性约束和尖角处，一般在结构非危险部位，但是如果应力奇异点刚好在结构危险区域，精确计算处应力奇异值使没有实质意义的，更改结构设计才是重点。因此在设计时应多考虑避免应力奇异的出现，例如用圆角代替尖锐的倒角。

3）在电机支架没有加强筋之前，电机和减速机的重力作用使电机支架变形0.427mm，在使用加强筋后使变形量降低到0.0473mm，加强筋的运用使电机支架变形量降低了88.9%，满足形变量要求。

参考文献：

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[2] 李雪，于秀荣，索继江，冯龙，吕丛.医用无菌手套术中破损危险因素分析[J].中华医院感染学杂志，2020，07-30 16：31期刊.

[3] 郑文.有限元分析在《材料力学》教学中的应用[J].产业与科技论坛，2020，12-15.

[4] 余伟炜，高炳军，陈洪军，王呼佳，陈旭.ANSYS在机械与化工装备中的应用[J].北京：中国水利水电出版社，2006.

[5] 刘三勇，黄才英.SolidWorks Simulation有限元分析中应力奇异问题的研究[J].现代制造技术与装备，2020，06-15.

[6] 王鑫，戚其松.有限元分析中应力奇异问题的处理[J].机械工程与自动化，2014，05-23.

[7] 戴瑛，嵇醒.界面端应力奇异性及界面应力分布规律研究[J].中国科学（G辑：物理学 力学 天文学），2007，08-15.

[8]https：//baike.sogou.com/v68559500.htm？fromTitle=%E 5%BA%94%E5%8A%9B%E5%A5%87%E5%BC%82%E6%80%A7.

[9] https：//baike.sogou.com/v7864585.htm？fromTitle=stress+ concentration##s2.