在自動化設備快速疊代的背景下，鞋套機作為日常防護用品生產的關鍵裝備，其結構穩定性與材料利用率成為行業技術升級的核心方向。當前鞋套機機架普遍存在重量占比高、材料消耗大等問題，通過先進仿真技術優化結構設計，成為提升設備性能與經濟性的重要路徑。以下結合具體技術研究，探討鞋套機機架的仿真分析與優化策略。

  一、鞋套機機架結構特性與有限元建模要點

  《2025-2030年全球及中國鞋套機行業市場現狀調研及發展前景分析報告》指出，鞋套機機架主要由長杆、短杆、支撐板、承重橫板等部件構成，其中長、短杆採用外邊長 40mm、內邊長 28mm 的空心正方形截面，壁厚 6mm;支撐板與承重橫板厚度為 10mm。各部件通過焊接與螺栓連接形成整體，整機通過地腳螺栓固定於地面，支撐板與承重橫板分別承載約 10kg 與 17kg 的電機及零部件。機架的薄弱環節集中於支撐板與承重橫板的連接處及中點位置，前者因受力集中易發生斷裂，後者因共振風險可能產生大幅彎曲。

  利用 SolidWorks 建立機架三維模型時，需簡化對分析影響較小的圓角、倒角等特徵，隨後將模型導入 ANSYS Workbench 進行網格劃分，設定單元大小為 10mm，得到包含 94283 個節點、21942 個網格的有限元模型。分析中對機架底座施加固定約束，將零部件重量等效為壓力載荷，分別在支撐板與承重橫板上施加 150N 與 220N 的壓力，為結構穩定性預留安全餘量。

  二、鞋套機機架靜力學與模態分析結果

  靜力學分析顯示，機架最大總變形量為 0.063mm，出現在支撐板與短杆連接處及中點位置，主要因支撐板厚度較薄且承受複合載荷;最大應力為 12.73MPa，同樣集中於上述區域，建模時忽略圓角導致的應力集中是重要誘因。除局部區域外，機架其餘部位平均變形量低於 0.02mm，平均應力不足 0.001MPa，表明其在靜態載荷下具備良好穩定性。

  模態分析得出機架前六階固有頻率分別為 92.4Hz、105.7Hz、118.7Hz、172.06Hz、194.8Hz、227.68Hz。由於鞋套機步進電機最大轉速對應的激振頻率範圍為 0-33Hz，一階頻率遠高於該區間，因此正常工作中機架不會發生共振。各階振型顯示，機架振動主要表現為部件沿不同軸嚮往復運動或扭曲變形，其中一階振型為上半部沿 Y 軸振動，二、三階為長短杆連接處沿 X 軸振動，為後續結構優化提供了明確的薄弱點定位。

  三、鞋套機機架輕量化優化設計與驗證

  以降低材料消耗為目標，通過 ANSYS Workbench 的 Design Exploration 模塊對機架壁厚進行參數化優化。將壁厚設定為變量，以總變形量與質量為控制指標，經算法疊代得出兩組優化方案。綜合考慮環境適應性與工藝可行性，最終將長、短杆壁厚從 6mm 減至 3mm，優化後橫截面內邊長調整為 34mm。

  優化後機架質量從 55.36kg 降至 37.037kg，減重幅度達 33%。靜力學分析顯示，最大變形量增至 0.1mm，最大應力增至 27.27MPa，但增幅仍在結構安全範圍內，穩定性未受顯著影響。模態分析表明，各階固有頻率雖有所降低(一階降至 79.22Hz)，但仍高於激振頻率上限，共振風險未增加。隨機振動分析採用軍用標準功率密度譜，結果顯示機架沿 Y 軸方向最大位移響應為 0.56574mm，出現在承重橫板，與一階振型振幅最大位置一致，提示後續設計需重點強化該區域結構。

  四、鞋套機機架優化設計的行業啟示

  本次研究通過仿真分析與參數優化，在保證鞋套機機架性能的前提下實現了顯著輕量化，驗證了 ANSYS Workbench 在裝備結構優化中的有效性。數據表明，壁厚減薄 50% 後，機架質量減少 33%，而變形與應力增幅均控制在合理範圍，且固有頻率仍遠離共振區間。隨機振動分析進一步明確了承重橫板為疲勞破壞高危區域，為後續設計提供了精準改進方向。

  未來鞋套機行業技術升級中，可進一步結合拓撲優化與新型材料應用，在關鍵受力部位採用高強度輕量化材料，同時通過精細化建模減少應力集中現象。此類基於仿真的疊代優化方法，不僅適用於鞋套機機架設計，也可為其他自動化裝備的結構改進提供技術範式，推動行業向高效、節能、綠色方向發展。