某機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)有限元分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u15678某機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)有限元分析案例 185601.1Solidworks建模 1135311.2設(shè)置材料 236531.3劃分網(wǎng)格 430591.4施加約束和載荷 6262011.5運(yùn)算求解 6對(duì)于比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如本文中的機(jī)械臂連桿機(jī)構(gòu)，無(wú)法通過整體分析去確定每部分的受力情況。此時(shí)，采用AnsysWorkbench軟件，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析是一種行之有效的方式。1.1Solidworks建模在Solidworks中建模。前臂和連桿采用8mm鋼板焊接而成；后小臂和后大臂中部采用8mm方形鋼管焊接而成。需要注意的是，實(shí)際碼垛機(jī)器人臂部存在了一些小的特征結(jié)構(gòu)，如倒角、圓角、螺栓孔等。在有限元計(jì)算中，這些結(jié)構(gòu)一方面會(huì)增加計(jì)算機(jī)運(yùn)算時(shí)間，另一方面會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格劃分失真。所以，應(yīng)該盡可能減少或去除模型中的這些特征和結(jié)構(gòu)。去除之后，臂部結(jié)構(gòu)立體圖如圖3-1所示。將繪制完成的三維圖導(dǎo)入到AnsysWorkbench，方便后一步對(duì)每一部分進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。以豎直極限位置為例，其在軟件中頁(yè)面如圖3-2所示。圖3-1臂部結(jié)構(gòu)模型圖圖3-2臂部結(jié)構(gòu)模型1.2設(shè)置材料在滿足強(qiáng)度和剛度的條件下，機(jī)械臂的設(shè)計(jì)要盡可能減輕整機(jī)重量，提高負(fù)載抓取能力。對(duì)于機(jī)械臂來(lái)說(shuō)，高強(qiáng)度、高剛度的主要結(jié)構(gòu)是保證任務(wù)完成的關(guān)鍵。機(jī)械手關(guān)鍵部件的材料、制造工藝和機(jī)械結(jié)構(gòu)的選擇，將影響機(jī)械手的工作性能、使用壽命和負(fù)載狀況。因此，在品質(zhì)優(yōu)良的基礎(chǔ)上，選用經(jīng)濟(jì)性高的材料是非常重要的。Q235價(jià)格便宜，大量應(yīng)用于建筑及工程結(jié)構(gòu)，能夠滿足基本的強(qiáng)度需求，是在經(jīng)濟(jì)型原則下的第一選擇。臂部主體結(jié)構(gòu)材料均選用Q235，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表3-1所示。表3-1材料參數(shù)鋼號(hào)密度kg/m3彈性模量GPa泊松比屈服強(qiáng)度MPa抗拉強(qiáng)度MPaQ23578502100.3235370在AnsysWorkbench中打開材料庫(kù)，創(chuàng)建名為“Q235”的材料，打開后將內(nèi)部的參數(shù)設(shè)置為Q235材料參數(shù)，具體步驟如圖3-3所示。圖3-3Q235材料屬性設(shè)置1.3劃分網(wǎng)格網(wǎng)格劃分是有限元分析中非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。網(wǎng)格的大小、網(wǎng)格的形狀、結(jié)構(gòu)連接處網(wǎng)格的劃分等等，都在很大程序上影響運(yùn)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。在考慮運(yùn)算精度的前提下，也要考慮求解時(shí)間的問題。一般情況下，在AnsysWorkbench中，劃分網(wǎng)格數(shù)量越多，計(jì)算機(jī)運(yùn)算精度越高，但運(yùn)算時(shí)間也會(huì)變長(zhǎng)。首先使用AnsysWorkbench中的自動(dòng)劃分網(wǎng)格功能，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步網(wǎng)格劃分。初步進(jìn)行了網(wǎng)格劃分的結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。圖3-4初步網(wǎng)格劃分圖由圖3-4可以看出，此時(shí)畫出的網(wǎng)格比較粗糙，難以滿足計(jì)算精度的要求。因此需要對(duì)初步劃分的網(wǎng)格進(jìn)行近一步的調(diào)整。將網(wǎng)格尺寸改為3mm，然后對(duì)關(guān)節(jié)處的網(wǎng)格進(jìn)行面網(wǎng)格尺寸調(diào)整，單元尺寸調(diào)整為2mm。后小臂與前臂的為危險(xiǎn)區(qū)，因而網(wǎng)格劃分需要更精細(xì)，將此接觸區(qū)域的單元尺寸設(shè)置為1mm。更新后的網(wǎng)格如圖3-5所示。圖3-5調(diào)整后的網(wǎng)格圖通常情況下，為保證運(yùn)算精度和效率，要在保證運(yùn)算精度為前提，劃分適當(dāng)數(shù)量的網(wǎng)格，不必為追求高精度而使求解時(shí)間無(wú)限延長(zhǎng)。在此原則下，機(jī)械臂模型網(wǎng)格劃分完成后，共有41039個(gè)單元，31970個(gè)節(jié)點(diǎn)。1.4施加約束和載荷因機(jī)械臂后臂是固定的，故在機(jī)械臂后臂末端施加各向約束，對(duì)前臂與腕部連接軸施加1400N豎直向下的力，即最大負(fù)載重量，如圖3-6所示。圖3-6附加載荷圖1.5運(yùn)算求解點(diǎn)擊solve，進(jìn)行運(yùn)算求解豎直位置臂部模型的應(yīng)力和變形，得到求解結(jié)果。即該位置的應(yīng)力分布云圖和整體變形云圖，具體如下圖3-6至圖3-8。圖3-7等效應(yīng)力云圖圖3-8整體變形圖從等效應(yīng)力云圖3-6可以看出，應(yīng)力及應(yīng)變最大點(diǎn)均位于前臂與后小臂連接處，最大應(yīng)力為192.72MPa，最大應(yīng)變?yōu)閙m。因應(yīng)力集中在前臂，選取前臂底部的一條路徑，導(dǎo)出該路徑部分點(diǎn)的各項(xiàng)參數(shù)，見表3-2。表3-2等效應(yīng)力及應(yīng)變數(shù)據(jù)表距離S/mmX坐標(biāo)/mmY坐標(biāo)/mmZ坐標(biāo)/mm等效應(yīng)力/MPa總體變形/mm130121.34-27.185204119.795.70E-04132122.11-25.609204122.175.82E-04134120.88-24.033204124.865.95E-04136119.64-22.457204128.16.10E-04138118.41-20.881204132.476.31E-04140117.18-19.305204131.976.38E-04142115.95-17.729204192.729.23E-04144114.72-16.153204189.119.07E-04146111.49-14.577204130.936.50E-04148112.26-11.00120481.8154.19E-04150111.03-11.42520466.6641.23E-04152109.79-9.848620451.8442.69E-04154108.56-8.272620445.212.27E-04156107.33-6.696620437.0491.84E-04將運(yùn)算結(jié)果繪制成圖，得到該路徑上各個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力與變形情況，如圖3-8和3-9所示。圖3-9路徑上各點(diǎn)的等效應(yīng)力圖圖3-10路徑上各點(diǎn)的變形圖機(jī)械臂臂部主體結(jié)構(gòu)材料選用Q235，Q235的屈服強(qiáng)度，取安全系數(shù)，又因?yàn)椋訯235許