陸宗學(xué)， 崔世義， 劉勇， 姚貴昌

（連云港杰瑞模具技術(shù)有限公司，江蘇 連云港222006）

1 引 言

重載機(jī)械手是主要用于各種較重物料的取件、搬運(yùn)、自動(dòng)碼堆、機(jī)床上下料，板材上下料等自動(dòng)化機(jī)械中，目前國(guó)內(nèi)的機(jī)械手主要以注塑機(jī)械手為主，重載機(jī)械手較少，完全滿足不了市場(chǎng)對(duì)重載機(jī)械手的需求，因此研制重載機(jī)械手是非常必要的，研制中對(duì)主梁的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核特別重要，是必不可少的環(huán)節(jié)。

2 主要承載梁有限元模型的建立

如圖1 所示，重載機(jī)械手X 主梁和Y 主梁為主要承載梁，需要對(duì)這兩個(gè)梁進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核，從結(jié)構(gòu)中可以看出，X 主梁不是簡(jiǎn)支梁或懸臂梁受力方式，可以近似看作兩端固定梁，但是會(huì)忽略支撐立柱的變形，Y 主梁可以看作是簡(jiǎn)支梁，但是會(huì)忽略支撐箱的支撐效果。如果按照傳統(tǒng)的材料力學(xué)公式計(jì)算，則不僅計(jì)算繁雜而且結(jié)果不能準(zhǔn)確反映實(shí)際受力情況［1］。

運(yùn)用有限元分析可以準(zhǔn)確建立梁的三維模型和受力方式，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)分析難度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)主梁的強(qiáng)度、剛度、重量的全程監(jiān)控，縮短設(shè)計(jì)周期，降低開發(fā)成本。

2.1 主要承載梁的實(shí)體模型的建立

建立實(shí)體模型是進(jìn)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(jī)械手主梁模型，如圖1 所示。使用SolidWorks Simulation進(jìn)行有限元分析，SolidWorks 軟件實(shí)現(xiàn)了CAD-CAE 的一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)和仿真的同步協(xié)同。X 梁模型如圖2 所示，Y 梁模型如圖3 所示。

圖1 重載機(jī)械手三維結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 X 梁三維模型

圖3 Y 梁三維模型

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是有限元分析前處理中的重要工作，SolidWorks Simulation 先進(jìn)的網(wǎng)格處理功能可對(duì)復(fù)雜的幾何模型進(jìn)行高質(zhì)量的網(wǎng)格處理。

SolidWorks Simulation 中有幾種單元類型，一階實(shí)體四面體單元，二階實(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)的橫梁?jiǎn)卧?duì)于一個(gè)方向尺寸較長(zhǎng)的梁，用實(shí)體單元?jiǎng)澐謺?huì)使網(wǎng)格單元的寬高比很大，這樣的網(wǎng)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?jiǎn)卧獎(jiǎng)澐志W(wǎng)格，將其他連接法蘭板用實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，這樣劃分的網(wǎng)格精度高［2］，如圖4 和圖5。

圖4 X 梁網(wǎng)格劃分，載荷和約束示意

圖5 Y 梁網(wǎng)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(lián)接，可以認(rèn)為兩個(gè)X 梁支柱底端法蘭板固定不動(dòng)。如圖5 所示，對(duì)Y 梁左端支撐箱底面添加固定鉸支座，對(duì)Y梁右端支撐箱底面添加可動(dòng)鉸支座。對(duì)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(duì)Y 梁添加25000N 的外力載荷和重力載荷。

3 主要承載梁的強(qiáng)度、剛度分析

將零件材料設(shè)為普通碳鋼，運(yùn)行分析可得各梁的應(yīng)力分布和撓度分布。

由圖6 可知，X 梁的最大應(yīng)力為46MPa，查表得出普通碳鋼在交變應(yīng)力下的許用應(yīng)力為120MPa［3］，因此強(qiáng)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(shù)值計(jì)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(yīng)力為42MPa，因此強(qiáng)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(shù)值計(jì)算可得f/L=10.67/9800=1/973，接近1/1000，因此剛度基本滿足需求。

圖6 X 梁應(yīng)力分布

圖7 X 梁撓度分布

圖8 Y 梁應(yīng)力分布

圖9 Y 梁撓度分布

［1］ 劉鴻文.材料力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［2］ 陳超祥，葉修梓.SolidWorks Simulation 基礎(chǔ)教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［3］ GB 912-1989，碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼熱軋冷鋼板及鋼帶［S］.

［4］ 成大先，等.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.