基于SolidWorks 與有限元理論一種機(jī)械臂設(shè)計(jì)方法的研究

韓德東，魏占國，邵忠喜

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001;2.北京林業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

0 引言

本文的主要研究對象是大型聯(lián)合伐木機(jī)的機(jī)械臂部分，該機(jī)械臂可以看作是一個(gè)開鏈?zhǔn)絼傂远噙B桿機(jī)構(gòu)，連桿之間通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和平移關(guān)節(jié)連接在一起，始端關(guān)節(jié)固定在旋轉(zhuǎn)基座上，末端連桿為自由端。對于具體分析這類機(jī)械臂，它可以分為多個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)，而整個(gè)機(jī)械臂在一定工況下可看作是一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)。針對這種結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的機(jī)械臂設(shè)計(jì)，在裝配試制前采用計(jì)算機(jī)虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化是目前廣泛使用的設(shè)計(jì)方法。

1 機(jī)械臂三維模型的建立

本文采用SolidWorks 軟件進(jìn)行三維建模，建模后的機(jī)械臂三維模型效果圖如圖1 所示。機(jī)械臂是聯(lián)合伐木機(jī)的核心部分［1］，對機(jī)械臂部分做了詳細(xì)的三維重建，所有參數(shù)均使用公開的實(shí)際參數(shù)尺寸，只是為便于以后的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在建模時(shí)適當(dāng)?shù)膶Σ糠痔卣髯隽撕喕Ａ袅巳康臋C(jī)械作業(yè)特征。

圖1 機(jī)械臂三維模型效果圖

2 機(jī)械臂三維模型結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 建立COSMOS/Works 設(shè)計(jì)專題

在用SolidWorks 設(shè)計(jì)完幾何模型后，這里使用COSMOS/Works 插件對其進(jìn)行分析［2-3］。分析模型的第一步是建立一個(gè)設(shè)計(jì)專題。設(shè)計(jì)專題是由一系列參數(shù)定義的，這些參數(shù)完整的表述了物理問題的有限元分析［4］。當(dāng)對一個(gè)零件或裝配體進(jìn)行分析時(shí)，要得到它在不同工作條件下的不同反應(yīng)，就要求運(yùn)行不同類型的分析，實(shí)驗(yàn)不同的材料，或指定不同的工作條件。每個(gè)專題都將針對其中的一種情況，運(yùn)用強(qiáng)大的有限元模型和解決技術(shù)，COSMOS/Works 快速的研究多種條件下的情況。

一個(gè)設(shè)計(jì)專題的完整定義包括以下幾方面:1)分析類型和選項(xiàng);2)材料;3)負(fù)荷和約束;4)網(wǎng)格。

在運(yùn)行一個(gè)專題前，必需定義好指定的分析類型所需要的材料屬性。在裝配體中，每一個(gè)零件可以是不同的材料。對殼定義用面屬性，每一個(gè)殼體具有不同的材料和厚度，有三種方法定義材料的屬性:1)從COSMOS/Works 材料庫中指定;2)手工指定材料的屬性值;3)從CENTOR MATERIAL LIBRARY(一個(gè)插件)中指定。

選定材料后進(jìn)行材料的編輯/瀏覽，COSMOS/Works中包含一個(gè)材料編輯/瀏覽器，可以定義材料的參數(shù)，并將這種材料加入到COSMOS 材料庫中。通過已知材料，利用COSMOS/Works 的材料庫賦予大臂材料特性，圖2 為對機(jī)械臂大臂添加材料的操作。

圖2 為機(jī)械臂添加材料屬性

最初設(shè)計(jì)時(shí)大臂的外觀圖如圖3。

圖3 大臂優(yōu)化前的效果圖

此時(shí)大臂的基本特性參數(shù)為(選擇材料為16 錳鋼):質(zhì)量1 832 982.3 g，體 積867 099 051.83 mm3，表 面積9 872 049.24 mm2。

由于大臂是大體積的多面固體，故采用固體網(wǎng)格對它進(jìn)行劃分，利用COSMOS/Works 網(wǎng)格劃分的自適應(yīng)性來修正網(wǎng)格的誤差，避免了繁瑣的有限元計(jì)算。網(wǎng)格劃分后結(jié)果如圖4。

圖4 網(wǎng)格劃分后效果圖

考慮到大臂一端是連接在旋轉(zhuǎn)底座上的，為保證模型在進(jìn)行應(yīng)力作用時(shí)有足夠的約束保持穩(wěn)定，故將這部分假設(shè)為固定，作參考面約束。另一端是鏈接在小臂上的，在工作時(shí)這一端是受到來自小臂和吊裝物體的力矩作用，故在這端延大臂基準(zhǔn)面法向方向施加一個(gè)力，力的大小為2 000×9.8 N，添加約束和負(fù)荷后的示意圖如圖5。

圖5 加載約束和負(fù)荷示意圖

2.2 運(yùn)行分析

當(dāng)進(jìn)行完設(shè)定材料、定義負(fù)荷、約束和對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，就可以進(jìn)行有限元分析了。要運(yùn)行一個(gè)專題，在管理樹中用右鍵單擊該專題，選擇“運(yùn)行算例”或者點(diǎn)擊工具欄中的“運(yùn)行”按鈕。此時(shí)將出現(xiàn)分析進(jìn)度信息框，如圖6:

圖6 分析進(jìn)度信息圖

COSMOS/Works 運(yùn)行快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確。使用了新的技術(shù)減少了分析時(shí)間、磁盤空間和內(nèi)存大小。COSMOS/Works 提供以下幾種解決方案:1)The Direct Spare solver;2)The FFe solver(iterative);3)The FFEPlus solver(iterative)。

在上面三個(gè)解決方案中都運(yùn)用了state－of－the－art有限元技術(shù)，以達(dá)到兩個(gè)目的:精確、快速。分析結(jié)束后的效果如圖7。

圖7 大臂分析結(jié)束后效果圖

2.3 觀察結(jié)果

運(yùn)行分析后，系統(tǒng)自動(dòng)為每種類型的分析生成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果報(bào)告。點(diǎn)擊左側(cè)管理器設(shè)計(jì)樹應(yīng)力選項(xiàng)，即可得到應(yīng)力圖解，如圖8。

圖8 大臂應(yīng)力圖解

根據(jù)結(jié)果可看到［5］，大臂與小臂的連接處受到的應(yīng)力為7.346e+003 N/m2～5.020e+006 N/m2，大臂與旋轉(zhuǎn)座接觸處的應(yīng)力較大，最大達(dá)到3.008e +007 N/m2，可見在這兩段大臂的受力最為明顯。

點(diǎn)擊位移選項(xiàng)，得到位移圖解，如圖9。

圖9 大臂合力位移圖解

有圖解可知，在大臂與小臂連接處位移較為明顯，在2.581e－003 m～1.936e－003 m 之間，相對與大臂的尺寸是非常微小的。

應(yīng)變是指長度的變化△L 與原長度L 之比，即應(yīng)變=△L/L。點(diǎn)擊變形選項(xiàng)得到如圖10。

圖10 大臂應(yīng)變圖解

通過應(yīng)變分析結(jié)果可知，在大臂與小臂的連接處應(yīng)變較小，僅為4.115e－008。最大處在大臂與旋轉(zhuǎn)底座連接處，如圖11 所示，應(yīng)變最大達(dá)1.160e－008。

圖11 大臂與旋轉(zhuǎn)底座連接處應(yīng)變圖

3 分析結(jié)果后的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析結(jié)果可知，大臂的受力變化主要集中在兩端連接處，特別是大臂與小臂的連接處，大臂中間部位變化較小，考慮到這一情況，做出如下優(yōu)化建議:1)對大臂中間部分采取減薄設(shè)計(jì)，以減輕大臂的質(zhì)量;2)對大臂兩端進(jìn)行加厚設(shè)計(jì)，提高其承載能力。

優(yōu)化設(shè)計(jì)后的效果如圖12。

圖12 大臂優(yōu)化設(shè)計(jì)后效果圖

優(yōu)化后大臂的基本特征參數(shù)為:質(zhì)量1 278 290.9 g，體積792 179 363.02 mm3，表面積9 712 838.84 mm2。可見，基本參數(shù)都發(fā)生了較明顯的變化，特別是質(zhì)量減輕了554 691.4 g，體積減少了74 919 688.81 mm3，表面積減少了159 210.4 mm2。下面根據(jù)優(yōu)化后的設(shè)計(jì)重新進(jìn)行分析效果如圖13。

圖13 優(yōu)化后的分析效果圖

應(yīng)力分析結(jié)果如圖14，大臂與小臂的連接處受到的應(yīng)力為6.914e+002 N/m2～3.519e+006 N/m2，大臂與旋轉(zhuǎn)座接觸處的應(yīng)力較大。可見優(yōu)化后，小臂與大臂連接處的應(yīng)力有了明顯的減小，證實(shí)了優(yōu)化的合理效果。

圖14 大臂優(yōu)化后應(yīng)力分析結(jié)果圖

位移分析結(jié)果如圖15，結(jié)果顯示位移較明顯的大臂與小臂連接處的位移為2.888e－003 m～2.166e－003 m，有一定的減小，即設(shè)計(jì)參照尺寸基本符合實(shí)際應(yīng)用要求。

圖15 大臂優(yōu)化位移后分析結(jié)果圖

應(yīng)變分析結(jié)果如圖16，分析結(jié)果顯示在大臂與小臂的連接處應(yīng)變?yōu)?.167e－008。較優(yōu)化前變化明顯。

圖16 大臂優(yōu)化后應(yīng)變分析結(jié)果圖

綜上分析結(jié)果，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，大臂的質(zhì)量、體積、表面積都發(fā)生了較明顯的變化，有利于整個(gè)裝置功率的合理設(shè)置，節(jié)省材料，提高作業(yè)裝置的承載力。符合機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論要求，并達(dá)到了預(yù)期的效果。

機(jī)械臂小臂的分析方法和過程與大臂是相同的，在這里只介紹分析結(jié)果，其中小臂的材料選用了與大臂相同的材料。基本參數(shù)為:質(zhì)量835 665.05 g，體積388 447 266.93 mm3，表面積9 030 859.89 mm2。優(yōu)化后的小臂基本特征參數(shù)為:質(zhì)量466 571.39 g，體積337 886 492.09 mm3，表面積8 798 931.20 mm2，質(zhì)量減少了369 093.66 g，體積減少了50 560 774.84 mm3，表面積減少了231 928.69 mm2。可見在基本特征參數(shù)上優(yōu)化效果比較明顯，起到了減輕質(zhì)量，節(jié)省材料的作用，小臂優(yōu)化前后的應(yīng)力分析結(jié)果如圖17、18 所示。

4 總結(jié)

通過對機(jī)械臂的有限元分析，直觀的驗(yàn)證了利用公開資料進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)特性和結(jié)果，再現(xiàn)了在虛擬狀態(tài)下機(jī)械臂模型受力變形后的效果，同時(shí)結(jié)合實(shí)際的作業(yè)要求，對部分設(shè)計(jì)提出了建議和修改，以提高實(shí)際樣機(jī)的可生產(chǎn)性。也為進(jìn)行物理樣機(jī)的試制提供試驗(yàn)依據(jù)，顯著地縮短了研發(fā)周期，降低了設(shè)計(jì)成本。

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