某高樓外墻清潔機(jī)器人的有限元分析案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u18142某高樓外墻清潔機(jī)器人的有限元分析案例概述 1212091.1外框架吸附時(shí)有限元分析 139251.2內(nèi)框架吸附時(shí)有限元分析 10機(jī)械零件在設(shè)計(jì)過程經(jīng)常會(huì)遇到很多形狀復(fù)雜、受力復(fù)雜的零件，如果使用人力借助公式方程進(jìn)行計(jì)算，花費(fèi)時(shí)間精力是其次，更為讓人頭痛的是結(jié)果也不一定準(zhǔn)確。因此，借助計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算能力進(jìn)行輔助是十分有必要的，而ANSYS是常用的有限元分析軟件之一。ANSYS從推出至今，已經(jīng)成為功能強(qiáng)大且完備的有限元軟件，ANSYS包含了前置處理、求解程序以及后置處理等三部分，將有限元分析、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，已成為機(jī)械設(shè)計(jì)過程中不可缺少的軟件之一。本章就是利用Ansysworkbench軟件對(duì)高樓外墻清潔機(jī)器人進(jìn)行有限元分析。1.1外框架吸附時(shí)有限元分析在外框架吸盤吸附、內(nèi)框架吸盤放松時(shí)，此時(shí)清潔裝置正在進(jìn)行清潔工作，此狀態(tài)下利用Workbench對(duì)機(jī)器人進(jìn)行靜力學(xué)有限元分析過程如下：設(shè)置材料屬性首先點(diǎn)擊靜力學(xué)分析模塊下的“EngineeringData”選項(xiàng)設(shè)置材料屬性。圖1.1Workbench進(jìn)入設(shè)置材料屬性界面本課題設(shè)計(jì)過程中使用到的材料主要有鋁合金6005、45鋼、40Cr、橡膠等。材料的主要參數(shù)如下表：表1.1各材料的主要參數(shù)材料名稱密度g/cm^3彈性模量GPa泊松比鋁合金60052.7700.345鋼7.852090.26940cr7.822060.29橡膠16.1MPa0.49其中，以鋁合金6005為例，它的材料參數(shù)設(shè)置如下圖：圖1.2Workbench設(shè)置鋁合金6005材料參數(shù)2.導(dǎo)入模型在使用Workbench進(jìn)行有限元分析時(shí)，應(yīng)對(duì)導(dǎo)入的模型進(jìn)行簡化處理，去掉不必要倒角和圓角，這些倒角和圓角對(duì)結(jié)果的影響甚小，但是對(duì)計(jì)算量的增加卻卻很多，去掉這些之后可以使分析速度提高，同時(shí)避免導(dǎo)入的模型發(fā)生錯(cuò)誤，簡化完模型后，使用CREO軟件保存裝配圖為“x_t”格式。在Workbench中右擊“Geometry”，打開“DesignModeler”幾何模塊,導(dǎo)入剛剛用Creo保存的“x_t”文件。圖1.3Workbench進(jìn)入導(dǎo)入外部模型界面本課題設(shè)計(jì)的高樓外墻清潔機(jī)器人經(jīng)簡化處理后導(dǎo)入的模型如下：圖1.4導(dǎo)入的高樓外墻清潔機(jī)器人模型2.模型處理及施加約束雙擊“Model”進(jìn)行模型處理，首先設(shè)置幾何樹下各個(gè)零件的材料，材料的屬性在第一步中已設(shè)置完成。圖1.5Workbench進(jìn)入模型處理界面之后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)于三維幾何體，網(wǎng)格劃分主要有自動(dòng)劃分法（Automatic）、四面體單元?jiǎng)澐址ǎ═etrahedrons）、六面體單元為主法（HexDominant）、掃略劃分法（Sweep）、多域掃略法（MultiZone）。這些方法的特點(diǎn)如下表：

表1.2各種網(wǎng)格劃分方法的特點(diǎn)名稱特點(diǎn)自動(dòng)劃分法默認(rèn)的劃分方法，系統(tǒng)會(huì)在掃略劃分和四面體單元?jiǎng)澐种g切換。會(huì)優(yōu)先使用前者，當(dāng)前者的劃分方法無法生成時(shí)，再使用后者的劃分方法。四面體單元?jiǎng)澐址ㄗ詈唵纬Ｓ玫木W(wǎng)格劃分方法，各種幾何形狀的實(shí)體都可以劃分，缺點(diǎn)就是是生成的節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多，且網(wǎng)格不會(huì)在同一方向排列。六面體單元為主法零件表面生成的是四邊形，六面體是向內(nèi)拉伸形成的。適合于塊狀零件，不適合細(xì)長的零件。掃略劃分法要求零件必須形狀規(guī)則，且具有形狀一致的源面和目標(biāo)面多域掃略法將實(shí)體自動(dòng)劃分為多個(gè)單元，每個(gè)單元各自進(jìn)行掃略劃分。本課題設(shè)計(jì)的高樓外墻清潔機(jī)器人采用自動(dòng)劃分法劃分網(wǎng)格，劃分的網(wǎng)格如下圖1.6：圖1.6高樓外墻清潔機(jī)器人的網(wǎng)格劃分之后對(duì)機(jī)器人施加約束力，施加的約束力為機(jī)器人本身的重力（由系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算）、滾刷受到的摩擦力10N、兩個(gè)刷盤受到的大小相等方向相反的扭矩5N·m以及外框架吸盤的固定約束。施加的約束如下圖1.7：圖1.7高樓外墻清潔機(jī)器人施加的約束圖中，A為機(jī)器人的重力，B為滾刷受到的摩擦力，C和D為刷盤周到的扭矩，E為吸盤的固定約束。1.求解分析施加完約束后對(duì)機(jī)器人整體進(jìn)行變形求解和等效應(yīng)力求解。圖1.8高樓外墻清潔機(jī)器人的變形結(jié)果云圖圖1.9高樓外墻清潔機(jī)器人的變形結(jié)果云圖變形求解的結(jié)果如圖1.8和圖1.9，從變形云圖可知，變形最大處位于滾刷的中部，變形量為1.7175mm，其次刷盤也有微小的變形量，其他零件的變形并不明顯，外框架吸盤組及其下半腿部的變形由于吸附外墻則更為微小。這些變形并不會(huì)對(duì)其他零件產(chǎn)生干涉，且變形量也全部處于可接受范圍之內(nèi)，因此符合設(shè)計(jì)要求。圖1.10高樓外墻清潔機(jī)器人的應(yīng)力云圖圖1.11高樓外墻清潔機(jī)器人的應(yīng)力云圖等效應(yīng)力的求解如圖1.10和圖1.11，從整體裝配圖的應(yīng)力云圖可知外框架腿部和吸盤承受了較多的應(yīng)力，其余的處于外部的結(jié)構(gòu)則沒有承受太多的應(yīng)力，且承受的最大應(yīng)力為36.808MPa也遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，符合設(shè)計(jì)要求。為了觀察一些關(guān)鍵零部件的受力情況，也可以單獨(dú)對(duì)某一零件進(jìn)行分析。下圖1.12~1.14是對(duì)上下移動(dòng)機(jī)構(gòu)的連接軸和外框架腿部的應(yīng)力分析云圖，從連接軸的應(yīng)力云圖可以發(fā)現(xiàn)其應(yīng)力最大點(diǎn)位于和齒輪的連接處，大小為6.0013MPa，從外框架伸縮腿部的裝配體應(yīng)力云圖以及單獨(dú)內(nèi)腿的應(yīng)力云圖可知，應(yīng)力的最大點(diǎn)位于內(nèi)腿與外腿接觸處，大小為32.941MPa。應(yīng)力都沒有超出各自的屈服極限，符合設(shè)計(jì)要求。圖1.12連接軸的應(yīng)力云圖圖1.13外框架腿部應(yīng)力云圖圖1.14外框架腿部內(nèi)筒應(yīng)力云圖1.2內(nèi)框架吸附時(shí)有限元分析按照同樣的方法，可以分析內(nèi)框架吸盤組吸附，外框架吸盤組放松時(shí)機(jī)器人的變形和應(yīng)力，此時(shí)的滾刷和刷盤都不承受力，分析的結(jié)果如下圖。從整體的變形云圖可知，最大變形處是由于滾刷自身重力引起的變形，變形量為1.5258mm，外框架吸盤由于吸附墻體變形量最小，其他結(jié)構(gòu)的變形大致相同，各個(gè)零件的變形量均不會(huì)干涉其他結(jié)構(gòu)且變形量在可接受范圍之內(nèi)，因此符合設(shè)計(jì)要求。圖1.15高樓外墻清潔機(jī)器人的變形結(jié)果云圖圖1.16高樓外墻清潔機(jī)器人的變形結(jié)果云圖上下移動(dòng)機(jī)構(gòu)的連接軸和內(nèi)框架伸縮腿部的應(yīng)力云圖如下圖1.17~1.19，從連接軸的應(yīng)力云圖可知，連接軸的最大應(yīng)力位于軸和齒輪連接處的下端，大小為1.6396MPa，從內(nèi)框架伸縮腿部的裝