沈巍，樓飛

(南京師范大學(xué)中北學(xué)院，江蘇 南京 210046)

1 關(guān)鍵部件選取及模型導(dǎo)入

本文選取管道檢測機(jī)器人關(guān)鍵桿件作為分析對象，它在手臂的機(jī)構(gòu)中起到了傳遞運動及動力的作用。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分之前，需要定義材料的屬性，這里采用Structural steel作為大臂的材料，并將實體模型保存副本為X_T格式，導(dǎo)入至ANSYS Workbench中[1]。

2 關(guān)鍵桿件的靜力學(xué)分析

網(wǎng)格劃分是整個前處理，甚至是整個有限元分析的重點，網(wǎng)格劃分的優(yōu)劣直接影響到整個有限元分析的結(jié)果。關(guān)鍵桿件的網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 關(guān)鍵桿件的網(wǎng)格劃分

圖2 模型添加載荷圖

由圖1可以看出，各個相連的單元體能夠共節(jié)點，網(wǎng)格質(zhì)量良好，達(dá)到了分析的要求，能夠進(jìn)行后續(xù)的分析。進(jìn)行載荷以及約束的添加，如圖2所示。在完成所有的前處理工作后，再在Solution模塊添加需要獲取的分析結(jié)果，進(jìn)行求解，得出相應(yīng)的分析云圖，如圖3所示。

圖3 模型的等效應(yīng)力云圖

從上述圖中可以發(fā)現(xiàn)，關(guān)鍵桿件所受到的最大等效壓應(yīng)力為59.6MPa，發(fā)生在桿件的鉸接處,壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于桿件所用材料結(jié)構(gòu)鋼的許用值，從而肯定了設(shè)計的正確性。

3 關(guān)鍵部件的優(yōu)化設(shè)計

由之前對關(guān)鍵桿件的靜力學(xué)分析可知，其剛度、強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于性能要求，有很大的優(yōu)化空間，在保證安全性的前提下，盡可能地減輕重量。對于關(guān)鍵桿件，將其與下一桿件的鉸接處的外圓直徑定義為ds_1，寬度定義為ds_2。

本文運用DesignXplorer(DX)模塊對研究對象進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，采用的是目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化設(shè)計(Goal- Driven Optimization)的方法，該方法可以實現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化，并可以獲得關(guān)于目標(biāo)參數(shù)的“最優(yōu)”方案[1]。在Workbench中進(jìn)行優(yōu)化的步驟為：運用DM模塊建?；蚴峭ㄟ^Workbench中的外部CAD接口進(jìn)行模型的導(dǎo)入，在DS模塊分析模型；在DX模塊中進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，生成滿足條件的設(shè)計組合；將優(yōu)化后的數(shù)據(jù)傳回DM模塊、DS模塊或是CAD中，方便進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計分析[2]。本文通過Workbench與Solidworks的無縫連接實現(xiàn)模型尺寸的參數(shù)化，在Solidworks中完成模型的參數(shù)化設(shè)計修改，在需要優(yōu)化的尺寸前加上“ds_”前綴，以便于Workbench識別，然后通過Solidworks和Workbench之間的無縫連接接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

候選的優(yōu)化方案中的設(shè)計點數(shù)據(jù)如圖4所示。在A、B、C三個候選方案中，方案 C在最大等效應(yīng)力方面略高于候選方案A和B，但仍完全符合安全性要求。它在節(jié)約材料，減小尺寸方面遠(yuǎn)優(yōu)于A和B。在方案 C中，桿件可以獲得更小的寬度，且質(zhì)量最輕。所以，選擇它作為最終的優(yōu)化方案，優(yōu)化后關(guān)鍵桿件的參數(shù)：ds_1由100mm降為96.5mm，ds_2由100mm降為90.413mm，質(zhì)量由19.479kg變?yōu)?7.887kg，減輕了8.17%。雖然其最大應(yīng)力值略有增加，但其剛度、強度仍完全符合安全性要求，達(dá)到了不錯的減重效果。

圖4 Optimization編輯界面視圖