王玉飛

（中冶華天工程技術(shù)有限公司，安徽 馬鞍山 243002）

拆除機(jī)器人是由許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)形狀的零部件組成的系統(tǒng)，并且工作在強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境下，其工作裝置為液壓沖擊器。為確保拆除機(jī)器人工作時(shí)，具有足夠的強(qiáng)度和剛度，并確保其激振源頻率避開整機(jī)的一階固有頻率，同時(shí)做到各部件變形最小，振動(dòng)最小，輻射噪聲最小，就迫使我們研究其動(dòng)態(tài)特性，通過抑制振動(dòng)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)，來提高機(jī)器人結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度和動(dòng)強(qiáng)度。因此，有必要對(duì)其整機(jī)進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。

1 實(shí)體模型的建立

當(dāng)今，CAD和CAE這兩個(gè)領(lǐng)域具有代表性的應(yīng)用軟件，分別是Pro/E和ANSYS。Pro/E具有強(qiáng)大的實(shí)體和曲面造型功能，而ANSYS具有完善的有限元分析功能，且 Pro/E和ANSYS能夠完全接口。因此，在這里選用Pro/E進(jìn)行實(shí)體建模，然后將模型導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行有限元分析[1]。

采用Pro/EWildfire 2.0構(gòu)造拆除機(jī)器人的三維實(shí)體模型。首先構(gòu)造好每個(gè)零部件的模型，在建模過程中，刪除零件中的一些微小特征如軸承的油孔，螺栓連接的小孔，軸上的定位銷和鍵槽，還有一些微小的倒角特征；同時(shí)將行走機(jī)構(gòu)中的履帶去除，并將其質(zhì)量加入底盤部分的模型中。這些特征并不影響到分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，但在劃分網(wǎng)格時(shí)微小的特征卻對(duì)網(wǎng)格的精度要求很高，這樣就增加了網(wǎng)格的密度，使計(jì)算量成倍的增長(zhǎng)，并且計(jì)算的準(zhǔn)確性并沒有因此而提高[2～3]；再將所有零部件在Pro/E的裝配模塊中裝配為三維實(shí)體整機(jī)模型（圖1）。

圖1 Pro/E中建立的整機(jī)實(shí)體模型

2 有限元模型的建立

最終完成的拆除機(jī)器人的三維實(shí)體模型，共有80個(gè)零部件。鑒于其結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，采用常用的中間數(shù)據(jù)文件（IGES、DXF或STEP）格式導(dǎo)入ANSYS時(shí)出現(xiàn)線和面等幾何特征的丟失，導(dǎo)致后續(xù)工作無法完成，而ANSYS內(nèi)嵌了對(duì)Pro/E的支持，故此處采用了Pro/E與ANSYS的接口將模型導(dǎo)入ANSYS。

2.1 配置Pro/E-ANSYS接口

ANSYS在默認(rèn)的狀態(tài)下，是不能對(duì)Pro/E中的prt（或asm）文件進(jìn)行直接轉(zhuǎn)換的。必須通過以下過程，對(duì)ANSYS進(jìn)行連接設(shè)置，以激活Pro/E接口模塊。

鼠標(biāo)點(diǎn)擊 “開始→ 程序→ANSYS 10.0→Utilities→ANS_ADMIN”，選擇“Configuration options→O K”，接下來的對(duì)話框順序選取“Configuration Connection for Pro/ENGINEER→ OK”和“ANSYSMultiphysics&WIN32→ OK”。完成后，A N SY S會(huì)自動(dòng)提示已在自己的安裝目錄中成功生成了config.anscon文件。在接下來出現(xiàn)的對(duì)話框“PRO/ENGINEER Installation path”選項(xiàng)后輸入P r o/E的起始安裝路徑如“C:proe Wildfire 2.0”，“Language used with Pro/Engineer”選項(xiàng)用默認(rèn)的“usascii”，然后點(diǎn)擊“OK”。出現(xiàn)對(duì)話框提示在Pro/E目錄下成功建立了一個(gè)protk.dat文件，點(diǎn)擊確定，即完成配置。

現(xiàn)在打開Pro/E，如果在“工具”菜單的后面出現(xiàn)一個(gè)新菜單“ANSYS10.0”（如圖2所示），就表示已經(jīng)成功建立了接口[4]。

圖2 配置完成后的ANSYS-Pro/E接口

接口配置完成后，在Pro/E中打開拆除機(jī)器人的模型文件，單擊“ANSYS 10.0”菜單下的“ANSYSGeom”，就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)ANSYS進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換。傳送完成的拆除機(jī)器人實(shí)體模型，共計(jì)有80個(gè)體，1378個(gè)面，3346條線。

2.2 有限元網(wǎng)格的劃分

將需要手工控制網(wǎng)格劃分的軸及軸套選出來，控制其周向及軸向網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)（此處采用SOLID186單元），其余部件采用自由網(wǎng)格劃分（此處采用SOLID187單元），并利用ANSYS網(wǎng)格劃分工具中提供的Smart Size控制生成的網(wǎng)格質(zhì)量，整機(jī)網(wǎng)格劃分完成后共有102106個(gè)單元，246563個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.3 機(jī)構(gòu)連接的處理

與結(jié)構(gòu)相比較，機(jī)構(gòu)是一幾何可變體系，隨原動(dòng)件位置不同，機(jī)構(gòu)呈現(xiàn)出不同的幾何形狀，從而也就具有不同的固有頻率和振型[5]。當(dāng)原動(dòng)件位置確定后，機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變成結(jié)構(gòu)，但與一般的結(jié)構(gòu)不同之處在于系統(tǒng)中存在各種運(yùn)動(dòng)副聯(lián)接。雖然各組成運(yùn)動(dòng)副的兩構(gòu)件間無大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但組成的各柔性體的變形，仍會(huì)引起運(yùn)動(dòng)副發(fā)生較小的相對(duì)變形，其影響在靜力與動(dòng)力學(xué)分析中均不可忽視。

在ANSYS軟件中，對(duì)于由多個(gè)零件聯(lián)接而成的復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)，聯(lián)接一般采用以下3種方式進(jìn)行處理：

（1）利用布爾運(yùn)算VGLUE，將多個(gè)volume粘接到一起[6]；

（2）各自劃分網(wǎng)格后，在Volume之間的界面上定義接觸單元[7]；

（3）各自劃分網(wǎng)格后，在Volume之間的界面處節(jié)點(diǎn)，通過約束方程或耦合實(shí)現(xiàn)聯(lián)接[8]。

若采用體相加或體的粘接方式，或者采用設(shè)置接觸單元的方式，其實(shí)質(zhì)均為剛性聯(lián)接，在模態(tài)分析中處理鉸接等運(yùn)動(dòng)副不符合實(shí)際情況，造成各階固有頻率增大，有些模態(tài)丟失。

在靜力分析和瞬態(tài)動(dòng)力分析中，采用接觸單元來處理運(yùn)動(dòng)副，雖然更符合實(shí)際，但對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)，計(jì)算不易收斂或計(jì)算時(shí)間漫長(zhǎng)，若不需考慮運(yùn)動(dòng)副聯(lián)接處的局部應(yīng)力與變形，仍可采用耦合或約束的方式來處理運(yùn)動(dòng)副。

采用有限元方法計(jì)算機(jī)構(gòu)在特定位置和姿態(tài)的模態(tài)時(shí)，對(duì)于典型的銷軸結(jié)構(gòu)可以建立位于銷軸中心的局部柱坐標(biāo)系，選擇銷軸外表面與孔內(nèi)表面所有節(jié)點(diǎn)，生成此運(yùn)動(dòng)副的節(jié)點(diǎn)組件，將節(jié)點(diǎn)自由度在局部坐標(biāo)系中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的3個(gè)平動(dòng)自由度轉(zhuǎn)換成徑向R、切向和平行銷軸軸線的自由度Z。采用銷軸連接時(shí)，在局部柱坐標(biāo)系中，轉(zhuǎn)換后各運(yùn)動(dòng)副節(jié)點(diǎn)組件徑向坐標(biāo)R相同，在運(yùn)動(dòng)副節(jié)點(diǎn)組件中，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的Z坐標(biāo)和θ，循環(huán)選擇相近的節(jié)點(diǎn)，通過CERIG命令約束位置相近的節(jié)點(diǎn)徑向自由度，保留其切向自由度，使得各節(jié)點(diǎn)仍能繞銷孔軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，以此來模擬銷軸處的轉(zhuǎn)動(dòng)副。為限制軸銷的軸向運(yùn)動(dòng)，還需要耦合其端面的節(jié)點(diǎn)。最后約束4個(gè)支腿和地面的接觸面的所有節(jié)點(diǎn)的所有自由度。節(jié)點(diǎn)耦合完成后的有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

3 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，亦稱時(shí)間歷程分析，是用于確定承受任意的隨時(shí)間變化載荷的結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的一種方法?？梢允褂盟矐B(tài)動(dòng)力學(xué)分析確定結(jié)構(gòu)在靜載荷、瞬態(tài)載荷和簡(jiǎn)諧載荷的任意組合作用下隨時(shí)間變化的位移、應(yīng)變、應(yīng)力及力。

3.1 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的理論基礎(chǔ)

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析中求解的運(yùn)動(dòng)方程如下：

（M）{u"}+（C）{u'}+（K）{u}={F(t)}

其中，

（M）是質(zhì)量矩陣；

（C）是阻尼矩陣；

（K）是剛度矩陣；

{u"}是節(jié)點(diǎn)加速度向量；

{u'}是節(jié)點(diǎn)速度向量；

{u}是節(jié)點(diǎn)位移向量；

{F(t)}是載荷向量。

和靜力學(xué)分析方程不同的是，方程中多了質(zhì)量矩陣和阻尼矩陣，并且引入了位移適量的微分項(xiàng)。ANSYS在求解該方程時(shí)，可以使用兩種方法：向前差分時(shí)間積分（forward difference time integration）法和紐馬克（Newmark）時(shí)間積分方法。向前差分法是一種顯式方法；Newmark時(shí)間是一種隱式方法，主要思路是把上述方程中自由度的導(dǎo)數(shù)項(xiàng)（速度項(xiàng)和加速度項(xiàng)）用相鄰點(diǎn)的位移項(xiàng)代替[9]。

3.2 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)的加載的載荷

液壓錘工作時(shí)實(shí)際的打擊力約為50 kN，工作頻率約為15 Hz，由于實(shí)際工作狀態(tài)下，沖擊器打擊力的作用機(jī)制十分復(fù)雜。為了能夠在ANSYS中進(jìn)行處理，首先將實(shí)際打擊力的數(shù)據(jù)換算成液壓錘釬桿上的壓力，再以一個(gè)持續(xù)時(shí)間為0.001s、大小等于此壓力的脈沖載荷加載到液壓錘釬桿上，在ANSYS中加載如圖4的1～5點(diǎn)的5個(gè)載荷步。

圖4 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)加載的載荷

3.3 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)的求解結(jié)果

利用ANSYS的通用后處理器（POST1）觀察在給定時(shí)間點(diǎn)整個(gè)模型的結(jié)果，和在時(shí)間歷程后處理器（POST26）中觀察模型中指定點(diǎn)處呈現(xiàn)為時(shí)間函數(shù)的結(jié)果。在POST26后處理器中，模型在各個(gè)載荷步求解完成后Von Mises應(yīng)力的結(jié)果如圖5～圖9所示。

圖5 第一個(gè)載荷步完成后的Von Mises應(yīng)力分布圖

圖6 第二個(gè)載荷步完成后的Von Mises應(yīng)力分布圖

圖7 第三個(gè)載荷步完成后的Von M ises應(yīng)力分布圖

圖8 第四個(gè)載荷步完成后的Von M ises應(yīng)力分布圖

圖9 第五個(gè)載荷步完成后的Von M ises應(yīng)力分布圖

從結(jié)果中可以看出，在一個(gè)載荷周期內(nèi)，當(dāng)釬桿上的打擊力載荷達(dá)到最大值時(shí)，在拆除機(jī)器人的液壓錘與三臂的連接處的Von Mises應(yīng)力達(dá)到最大值，約為203MPa。拆除機(jī)器人所使用的材料為Q235鋼，其屈服極限為235MPa，根據(jù)第四強(qiáng)度理論以及應(yīng)力云圖可以看出，拆除機(jī)器人在當(dāng)工作載荷達(dá)到最大值的時(shí)候，其最大應(yīng)力值也沒有超過材料的屈服極限，說明拆除機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)還是合理的，可以滿足日常工作中的需要。

4 結(jié)束語

通過耦合銷軸節(jié)點(diǎn)自由度的方法，模擬機(jī)械結(jié)構(gòu)中最常見的銷軸聯(lián)接，進(jìn)行機(jī)構(gòu)的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，但這種方法沒有考慮銷軸結(jié)合面的阻尼對(duì)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型的影響，如何更加準(zhǔn)確地考慮這些影響，值得進(jìn)一步探討。

運(yùn)用ANSYS中瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析（亦稱時(shí)間歷程分析）功能，確定了拆除機(jī)器人在承受實(shí)際工作載荷時(shí)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，所得出的結(jié)果，對(duì)拆除機(jī)器人結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和改進(jìn)可以起到一定的指導(dǎo)作用。

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