基于SolidWorksSimulation的重載機械手主梁有限元分析

2013-12-23 04:01:48陸宗學崔世義劉勇姚貴昌

機械工程師 2013年11期

陸宗學，崔世義，劉勇，姚貴昌

（連云港杰瑞模具技術有限公司，江蘇連云港222006）

1 引言

重載機械手是主要用于各種較重物料的取件、搬運、自動碼堆、機床上下料，板材上下料等自動化機械中，目前國內的機械手主要以注塑機械手為主，重載機械手較少，完全滿足不了市場對重載機械手的需求，因此研制重載機械手是非常必要的，研制中對主梁的強度和剛度進行校核特別重要，是必不可少的環節。

2 主要承載梁有限元模型的建立

如圖1 所示，重載機械手X 主梁和Y 主梁為主要承載梁，需要對這兩個梁進行強度和剛度校核，從結構中可以看出，X 主梁不是簡支梁或懸臂梁受力方式，可以近似看作兩端固定梁，但是會忽略支撐立柱的變形，Y 主梁可以看作是簡支梁，但是會忽略支撐箱的支撐效果。如果按照傳統的材料力學公式計算，則不僅計算繁雜而且結果不能準確反映實際受力情況［1］。

運用有限元分析可以準確建立梁的三維模型和受力方式，簡化設計分析難度，實現了對主梁的強度、剛度、重量的全程監控，縮短設計周期，降低開發成本。

2.1 主要承載梁的實體模型的建立

建立實體模型是進行有限元分析前的重要步驟之一。本文采用的是SolidWorks 三維造型軟件建立重載機械手主梁模型，如圖1 所示。使用SolidWorks Simulation進行有限元分析，SolidWorks 軟件實現了CAD-CAE 的一體化設計，實現了設計和仿真的同步協同。X 梁模型如圖2 所示，Y 梁模型如圖3 所示。

圖1 重載機械手三維結構示意圖

圖2 X 梁三維模型

圖3 Y 梁三維模型

2.2 網格劃分

網格劃分是有限元分析前處理中的重要工作，SolidWorks Simulation 先進的網格處理功能可對復雜的幾何模型進行高質量的網格處理。

SolidWorks Simulation 中有幾種單元類型，一階實體四面體單元，二階實體四面體單元，一階三角形殼單元，二階三角形殼單元和兩個節點的橫梁單元。對于一個方向尺寸較長的梁，用實體單元劃分會使網格單元的寬高比很大，這樣的網格是不可取的。按照各零件的尺寸特性，我們將主梁和支柱用梁單元劃分網格，將其他連接法蘭板用實體單元劃分網格，這樣劃分的網格精度高［2］，如圖4 和圖5。

圖4 X 梁網格劃分，載荷和約束示意

圖5 Y 梁網格劃分，載荷和約束示意

2.3 約束條件與載荷的處理

如圖4 所示，X 梁支柱底端法蘭板通過膨脹螺栓與地面聯接，可以認為兩個X 梁支柱底端法蘭板固定不動。如圖5 所示，對Y 梁左端支撐箱底面添加固定鉸支座，對Y梁右端支撐箱底面添加可動鉸支座。對X 梁添加25000N的外力載荷和來自于重力的重力載荷，外力載荷作用在主梁中間的模擬受力板面上，重力載荷為均布載荷。如圖5所示，對Y 梁添加25000N 的外力載荷和重力載荷。

3 主要承載梁的強度、剛度分析

將零件材料設為普通碳鋼，運行分析可得各梁的應力分布和撓度分布。

由圖6 可知，X 梁的最大應力為46MPa，查表得出普通碳鋼在交變應力下的許用應力為120MPa［3］，因此強度滿足要求；由圖7 可知，X 梁的最大撓度變形為5.15mm，起重梁的剛度最大要求為f/L≤1/1000［4］，其中f 為撓度，L為梁跨距，代入數值計算可得f/L=5.15/9700=1/1883，小于1/1000 很多，因此剛度完全滿足需求。

由圖8 可知，Y 梁的最大應力為42MPa，因此強度滿足要求；由圖9 可知，Y 梁的最大撓度變形為10.67mm，代入數值計算可得f/L=10.67/9800=1/973，接近1/1000，因此剛度基本滿足需求。