（吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022）

基于CATIA與ANSYS的履帶機(jī)器人擺臂支撐板有限元分析

赫修智

（吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022）

本研究以有限元分析方法為基礎(chǔ)，對(duì)比分析CATIA實(shí)體建模與ANSYS實(shí)體建模，運(yùn)用CATIA 三維軟件建立擺臂支撐板實(shí)體模型，運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)導(dǎo)入的實(shí)體模型進(jìn)行有限元分析。綜合運(yùn)用CATIA建模優(yōu)勢(shì)與ANSYS靈活的有限元分析處理，從而為機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的應(yīng)力分析，對(duì)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)有一定的參考意義。

擺臂支撐板；有限元分析；CATIA；ANSYS

ANSYS是一款集結(jié)構(gòu)、流體、熱、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件。ANSYS軟件可進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、熱分析、電磁分析、流體分析、耦合分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、接觸分析以及實(shí)現(xiàn)利用ANSYS參數(shù)設(shè)計(jì)語(yǔ)言的擴(kuò)展宏命令的功能。CATIA是有法國(guó)達(dá)索公司研發(fā)的一款廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造、造船、電子等行業(yè)的三維實(shí)體建模軟件。同UG、PRO/E相比，CATIA的操作界面更加直觀，具有強(qiáng)大的三維復(fù)雜曲面造型功能，并采用了混合建模技術(shù)，使建模過(guò)程更加靈活和高效。

擺臂支撐板是履帶機(jī)器人擺臂結(jié)構(gòu)的重要組成部分，起到支撐擺臂，保證擺臂平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的作用。分析擺臂支撐板在受載的情況下的應(yīng)力情況，可以更好的改進(jìn)擺臂的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)目的。本文以擺臂支撐板為例，運(yùn)用CATIA建立三維實(shí)體模型，并運(yùn)用ANSYS對(duì)其進(jìn)行有限元分析。與直接用ANSYS建模相比，提高了建模速度，縮短了設(shè)計(jì)周期。同時(shí)，可以將該方法應(yīng)用在如裝載機(jī)動(dòng)臂、曲軸等復(fù)雜的結(jié)構(gòu)的有限元分析工作中。

圖1 履帶機(jī)器人擺臂示意圖

1 CATIA與ANSYS的實(shí)體建模比較

1.1 ANSYS實(shí)體建模

ANSYS提供了兩種實(shí)體建模的方法：自上向下建模法和自底向上建模法。

自上向下建模法是指從一開(kāi)始就從線、面、體等較高級(jí)的圖元構(gòu)造模型的方法。ANSYS軟件在生成一種體素時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)生成所有屬于該體素的關(guān)鍵點(diǎn)、線、面等較低級(jí)圖元。

自底向上建模法是指由建立模型的最低單元的點(diǎn)到最高單元的體來(lái)構(gòu)造模型的方法。也就是先創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)，然后利用關(guān)鍵點(diǎn)定義線、面、體等較高級(jí)圖元。

除此之外，還可以用布爾運(yùn)算操作、拖拉、扭轉(zhuǎn)、移動(dòng)、復(fù)制等操作完成實(shí)體建模。

1.2 CATIA實(shí)體建模

CATIA中創(chuàng)建零件三維建模的方法十分靈活，大體分為三種：先創(chuàng)建基礎(chǔ)特征，然后再此基礎(chǔ)上添加其他一些特征；由曲面生成零件三維實(shí)體模型；從裝配圖中生成零件三維實(shí)體模型。絕大多數(shù)的零件三維實(shí)體模型設(shè)計(jì)都采用的是第一種方法。

1.3 對(duì)比

ANSYS實(shí) 體建模存在以下幾個(gè)缺點(diǎn)：

1）自底向上建模是在激活的坐標(biāo)系上定義的，自上向下建模是在工作平面內(nèi)建立的，二者不可混淆。如果混合使用兩種技術(shù)，還要考慮強(qiáng)迫坐標(biāo)系隨著工作平面進(jìn)行變化。這就無(wú)疑增加了建模的復(fù)雜程度，增大了設(shè)計(jì)人員的工作量。

圖2 擺臂支撐板的CATIA三維模型

圖3 前擺臂輪落地示意圖

圖4 導(dǎo)輪落地示意圖

2）實(shí)體建模需要花費(fèi)較多計(jì)算時(shí)間。

3）操作過(guò)程中不能隨意的進(jìn)行撤銷(xiāo)，需要每做一步，用SAVE DB進(jìn)行保存。一旦忘記保存，可能因?yàn)樽鲥e(cuò)一步，而導(dǎo)致建模失敗，甚至重新建模。

相比之下，CATIA在建模過(guò)程中可以進(jìn)行多步驟撤銷(xiāo)；進(jìn)行約束建模，一定程度上省去了用輸入坐標(biāo)的方式建模，簡(jiǎn)化了建模過(guò)程；CATIA中形象化的圖標(biāo)使建模界面更直觀。因此，使用三維實(shí)體軟件進(jìn)行建模，更利于縮短建模時(shí)間，從而縮短整個(gè)設(shè)計(jì)周期。

2 有限元分析

2.1 前處理

2.1.1 模型的建立與導(dǎo)入

圖5 導(dǎo)輪落地時(shí)徑向位移圖

圖6 導(dǎo)輪落地時(shí)應(yīng)力云圖

圖7 前擺臂輪落地時(shí)徑向位移圖

圖8 前擺臂輪落地時(shí)應(yīng)力云圖

利用CATIA的零件設(shè)計(jì)模塊，根據(jù)擺臂支撐板的參數(shù)，進(jìn)入零件設(shè)計(jì)工作平臺(tái)，建立基礎(chǔ)特征，然后逐步建立其他特征，最終完成準(zhǔn)確的實(shí)體模型建立，如圖2所示。然后將基于CATIA建立的擺臂支撐板模型導(dǎo)入到ANSYS中。導(dǎo)入后的模型不是以實(shí)體的形式呈現(xiàn)的，而是由線條構(gòu)成的。此時(shí)可以運(yùn)行PlotCtrls/Style/Solid Model Facets命令，選擇Noraml Facting，然后再運(yùn)行Plot/Volume命令，就可以顯示體、面元素。

2.1.2 單元屬性定義及網(wǎng)格劃分

實(shí)體創(chuàng)建完之后，需要對(duì)實(shí)體的單元屬性進(jìn)行定義，它是進(jìn)行網(wǎng)格劃分的前提，其目的是控制節(jié)點(diǎn)以及單元體的顯示特征。單元屬性定義包括:材料屬性、單元類(lèi)型、實(shí)常數(shù)等。由于擺臂支撐板在攀爬、越障時(shí)會(huì)受到?jīng)_擊載荷，所以選擇的材料為低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q345D，其屈服強(qiáng)度為345MPa，抗拉強(qiáng)度470-630MPa，泊松比為0.3，彈性模量206GPa。本文分析的擺臂支撐板為三維實(shí)體，故選擇solid45進(jìn)行單元類(lèi)型定義即可。

進(jìn)行有限元分析很重要的一步就是網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格過(guò)大會(huì)導(dǎo)致分析后的結(jié)果不夠精確；網(wǎng)格過(guò)密又會(huì)增加計(jì)算時(shí)間，所以在網(wǎng)格劃分時(shí)對(duì)劃分網(wǎng)格的大小要有一定把握。本例中由于支撐板模型較為簡(jiǎn)單，可選擇智能網(wǎng)格劃分即Smart Size。

2.2 求解及后處理

完成前處理的工作之后，可以對(duì)模型進(jìn)行求解。有限元分析的主要目的就是分析結(jié)構(gòu)在一定載荷條件下的響應(yīng)情況。因此，施加載荷是分析中關(guān)鍵的一步。在ANSYS中，載荷包括邊界條件和作用力。所以在施加作用力之前，需要先對(duì)模型進(jìn)行邊界條件的約束。本例中，擺臂支撐板在落地時(shí)分為兩種情況：前擺臂輪落地和導(dǎo)輪落地。如圖2-2、2-3所示。

當(dāng)前擺臂輪落地時(shí)，支撐板前端即圖2-1中支撐板右側(cè)開(kāi)口處，受沖擊載荷。圖2-1中支撐板左側(cè)與車(chē)體同軸，此時(shí)需施加約束，限制其自由度。在支撐板前端施加載荷。

當(dāng)導(dǎo)輪落地時(shí)，導(dǎo)輪處受沖擊載荷。同樣的，需在支撐板左側(cè)施加約束。此時(shí)，需在導(dǎo)輪處施加載荷。

運(yùn)行Main Menu＞Solution＞Solve＞Current LS命令，進(jìn)行運(yùn)算求解。求解結(jié)束后，可以查看其應(yīng)力、位移等情況。由于支撐板主要受徑向力的作用。所以，本例中直接輸出其徑向（Y向）位移和Von Mises 應(yīng)力云圖，如圖5、6、7、8所示。

由位移圖和應(yīng)力云圖可以看出，支撐板無(wú)論在哪種情況下受載時(shí)，其與車(chē)體同軸的孔均為受應(yīng)力最大處以及變形量最大處，應(yīng)力與變形量沿著支撐板向?qū)л喴粋?cè)逐漸遞減。當(dāng)所受沖擊載荷逐漸加大時(shí)，此處由于應(yīng)力集中，容易發(fā)生較大變形，甚至斷裂。在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮到此處應(yīng)力集中問(wèn)題，在保證擺臂整體輕量化的前提下，適當(dāng)增加支撐板厚度；同時(shí)，適當(dāng)將緊鄰的加工孔遠(yuǎn)離以減小應(yīng)力集中的情況。

3 結(jié)論

本文提出的基于CATIA進(jìn)行三維建模，運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)模型進(jìn)行單元屬性的定義，網(wǎng)格劃分，求解運(yùn)算以及后處理工作。相比運(yùn)用ANSYS直接建模而言，很大程度上減少了建模時(shí)間，充分發(fā)揮了CATIA的建模優(yōu)勢(shì)，與ANSYS的求解分析功能，使分析的快速性與準(zhǔn)確性得到統(tǒng)一，為大型復(fù)雜的模型進(jìn)行有限元分析提供了新途徑。

本例中，通過(guò)運(yùn)用ANSYS對(duì)履帶機(jī)器人的擺臂支撐板進(jìn)行有限元分析，可以更直觀的看出施加載荷后，支撐板出現(xiàn)最大應(yīng)力與最大位移的位置，為支撐板的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供很好的參考意義；同時(shí)，綜合運(yùn)用CAD設(shè)計(jì)軟件和CAE分析軟件，也是現(xiàn)代設(shè)計(jì)的整體趨勢(shì)，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

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