PAGEPAGE2某碼垛機器人臂部機構有限元分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u17563某碼垛機器人臂部機構有限元分析案例 146111.1引言 1238121.2有限元分析方法介紹 1323891.3靜力學分析簡述 2322311.1.1靜力學分析類型 2209331.1.2結構線性靜力分析的基本步驟 299961.4碼垛機器人小臂有限元校核 381301.4.1邊界條件 3190501.4.2計算結果 3206791.4.3 結果分析 51.1引言有限元法應力分析的目的是確定機械結構在外力作用下的應力和變形，并確定機體結構在不同的重載時是否滿足既定的強度和剛度要求。分析結果的準確性通常取決于通過強度分析獲得的邊界條件。1.2有限元分析方法介紹所謂的有限元，就是一組離散元素。有限元的概念在幾個世紀前就出現(xiàn)并應用了。例如，數(shù)學家使用變量（即線性單元法）來近似一個圓，以獲得圓的周長。有限元法（FEM），最初稱為矩陣近似法，適用于飛機結構強度的校核。由于該方法方便、實用、有效，很快引起了科學家的興趣。經過幾十年的研究，依托當時計算機技術的快速發(fā)展和推廣，有限元分析方法從結構工程強度分析迅速擴展到幾乎所有的科學技術領域，得到了廣泛的應用，是一種有效的數(shù)字分析方法。有限元分析的基本原理是用簡單問題代替復雜問題，然后加以解決。解域由非常小的相關聯(lián)的子域（即有限元）組成。對每一個單元假定一個合適的（即較簡單的）近似解，然后推導求解這個域的總體滿足條件（如機構的平衡條件），從而就得到問題的解。這個解不是一個精確的解，而是近似解，因為真正的復雜問題被一個簡單的問題所取代。事實上，大多數(shù)實際問題都很難找到精確的解，通過對有限元分析得到的結果足以適應不同復雜結構的分析。1.3靜力學分析簡述1.1.1靜力學分析類型靜力學作為力學的一個分支，是研究物體在力的作用下處于平衡的規(guī)律，以及如何建立各種力系的平衡條件。在靜力學中力的合成、分解和力系簡化的研究結果可以直接應用于動力學。因此，靜力學在工程中具有重要的實用意義。靜力學分析用于計算結構在固定不變的負載作用下的響應，也就是說，由于穩(wěn)定的外部負荷而產生的系統(tǒng)或部件的位移、應力、隨機應變和力，對應固定不變的負荷，在結構靜力學分析中，結構性的響應也固定不變。在結構靜力學分析過程中，一般都假定載荷和響應固定不變，或假定載荷和結構的響應隨時間的變化非常緩慢。一般來講，靜力分析所處理的載荷通常包括∶位移載荷、穩(wěn)定的慣性力、外部施加的作用力、溫度載荷、能流載荷。1.1.2結構線性靜力分析的基本步驟基于Ansys進行靜力分析的基本步驟一般包括建模、加載求解和檢查分析結果三個步驟。a.建立有限元模型先建立或導入幾何模型，然后定義單元類型、單元實常數(shù)、材料模型及其參數(shù)，最后再進行網格劃分。b.加載求解?（1）加載的方法。在Ansys的分析過程中，都要給所要分析的模型添加約束和載荷，其添加的方法可以分為兩類∶?第一類是將約束和載荷加載在幾何模型上，即直接加載在幾何模型的點、線、面和體上；第二類將約束和載荷加載在有限元模型上，即加載在節(jié)點和單元上。?（2）約束類型。約束主要有自由度約束，其主要是位移約束，通常在模型的邊界上施加。此外，位移也可以表征對稱的邊界和已知的運動點，標定方向由節(jié)點的坐標決定。（3）載荷類型。載荷主要有集中力和力矩、慣性載荷（重力、旋轉慣性力）、面載荷（如壓力）、體載荷和溫度載荷（TEMP）等。c.檢查分析結果本章在對碼垛機器人的零部件進行有限元分析時，采用Ansys默認單位，即長度單位為mm（毫米），彈性模量單位為N/mm2，密度單位為kg/mm2。按這種單位制進行有限元分析，得到的變形尺寸單位為mm，應力單位為MPa。1.4碼垛機器人小臂有限元校核1.4.1邊界條件 a.受力條件上臂受力約束簡圖如圖3-1所示，其中F1為機器人末端重量，機器人在碼垛的過程中，考慮向上提包時伺服電動機加速階段會有加速度，因此取F1為3倍機器人末端執(zhí)行器的重量，即F1=3×GF而F3是機器人整體回轉給上臂帶來的慣性力，F(xiàn)位移條件∶上臂的中間軸孔內壁設為位移條件為零。單元、單位和其他設定∶有限元單元采用5級精度自由網格劃分，長度單位采用毫米，彈性模量206×103N圖3-1碼垛機器人小臂受力約束簡圖Figure3-1Forceconstraintdiagramofpalletizingrobotsmallarm1.4.2計算結果小臂綜合應變（變形）如圖3-2所示，x向應變如圖3-3所示，y向應變如圖3-3所示，z向應變如圖3-3所示。圖3-2碼垛機器人小臂綜合變形圖Figure3-2Comprehensivedeformationdiagramofsmallarmofpalletizingrobot圖3-3碼垛機器人小臂x向變形圖Figure3-3X-directiondeformationdiagramofsmallarmofpalletizingrobot圖3-4碼垛機器人小臂y向變形圖Figure3-4Y-directiondeformationdiagramofsmallarmofpalletizingrobot圖3-5碼垛機器人小臂z向變形圖Figure3-5Z-directiondeformationdiagramofsmallarmofpalletizingrobot1.4.3 結果分析由小臂的綜合變形可知其變形為4.6mm，顯然變形過大，但這并不是最終結果。通過查材料手冊知道45號鋼的屈服極限是355MPa，抗拉強度600MPa。由有限元靜力學分析出的結果可以得