步行機構中壓桿的受力分析

劉一恒++杜振軍

摘 要：四足步行機構是近年來研究的一個比較活躍的領域。四足步行機構在家庭娛樂、仿生學、健身器材等方面有很大的應用前景。文章建立分析模型，通過設計軟件對機構做運動仿真。四足步行機構中一壓桿受周期性變載荷影響，運動分析模塊中的鉸鏈配合所承受的變載荷，輸入到有限元分析模塊中，并獲得其中壓桿在全周期載荷加載歷史條件的有限元分析結果，從而為后續的設計提供可靠依據。

關鍵詞：四足 步行 壓桿 有限元

中圖分類號：TH11 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（b）-0093-03

目前四足步行機構的研究主要集中在小型輕便和控制等方面。該文設計的步行機構，重點在壓桿兩端鉸鏈配合所承受的變載荷、輸入到有限元分析模塊中、運動產生的變載荷與壓桿的有限元分析上。設計軟件能夠保證四足步行機構在步行過程中，桿件的剛度和強度滿足設計要求，保證運行可靠性。該文通過SolidWorks建立步行機構的三維模型，并對其進行仿真模擬和有限元分析。為了使問題簡化，該文對機械結構進行較大簡化。

1 機構構型

如圖1所示，為步行機構簡圖。主運動機構為近似直線運動機構。盡管精確直線機構可以替代滑桿和導槽，但在應用中，又需要一段是直線，另一段是曲線的結構。例如，用腳步行的機械在著地時要沿著直線，返回時抬腳又需要走曲線。這樣的機械很難讓直線段嚴格為直線，但可以做成近似程度非常高的直線。采用的機構為霍肯直線機構。霍肯直線機構由卡爾·霍肯發明，是一種由四條連桿構成的機械結構。連桿的末端在半個周期內走直線，另外半個周期走特殊的弧線。實驗表明，這種直線機械的誤差在其工作范圍內小于千分之一。這是一種非常適用于設計用腳走路的運載工具的機械結構。相比輪子，用腳走路對地面的要求很低，而且腳的末端可以設置較大面積的墊子以減小對地面的壓強，平衡路面的高低不平，保證四足末端與機身垂直的兩個直線運動副，圖中未完全表示。

2 機構的虛擬運動仿真

采用COSMOS Motion的機構仿真步驟，創建裝配體，施加運動副和載荷，設置固定件和運動件，設置仿真參數，仿真運算，輸出分析結果，其中施加運動副為機械配合鉸鏈可運行。利用COSMOS Motion對足部機構進行運動模擬。首先用SolidWorks對機構進行三維造型和裝配，然后用與SolidWorks無縫集成的COSMOS Motion三維動力學仿真軟件添加運動、約束、力等參數。對該機構進行運動仿真模擬，獲得運動仿真動畫。

3 有限元分析

該文采用相對運動分析方法，固定四足機構的一足，讓機身運動。應用COSMOS Motion模擬運動仿真。如圖2所示，顯示應力在零件中貫穿的22個情形，在情形8中獲得了最大值175 MPa，小于材料的屈服極限175 MPa。如圖3所示，顯示合位移在零件中貫穿的22個情形，在情形8中獲得了最大值0.3 mm。如圖4所示，在情形8中獲得了應力圖解。如圖5所示，在情形8中獲得了合位移圖解。

4 結語

該文應用SolidWorks，對機構進行三維造型和裝配。用與SolidWorks、無縫集成的COSMOS Motion三維動力學仿真軟件對四足步行機構進行運動仿真模擬，用有限元模塊模擬受變載荷的壓桿件在全周期加載歷史的應力與合位移。這種方法直觀地表現出加載荷歷史與應力的變化關系、加載荷歷史與合位移的變化關系。為合理設計機構結構參數提供依據，同時也可以提高設計效率。

參考文獻

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