机械臂设计毕设计说明书 - 图文(9)

有限元法的分析指导思想就是化整为零，截弯取直，以简驭繁，变难为易。 6.1.2 SolidWorks的Simulation模块

目前，使用计算机进行应力分析的方法有两种：第一种是利用有限元分析软件进行专业的分析，比如分析功能比较强大的Ansys软件，可以进行全面的受力分析，但用户要具有丰富的力学知识背景，还需要很多次积累经验，因为比较专业，所以比较难学；第二种是根据一些软件自带的应力分析插件来进行分析，如SolidWorks提供的应力分析工具Simulation模块，利用它可以帮助用户确定目前的设计是否满足工作的现实要求。对于一般的设计人员，在零件的应力情况不太复杂时，利用Simulation来进行应力分析显得更为简单实用。

本文首先在SolidWorks环境下完成集材机机械臂的三维实体建模,然后利用与SolidWorks无缝结合的Simulation有限元分析软件对机械臂进行分析,其优点在于结构分析时不必脱离原三维设计环境，避免了模型导入第三方软件时常见的模型失真导致分析结果不准确的问题。

SolidWorks的Simulation设计分析结果基于线性静态分析，当载荷作用于物体表面时，物体发生变形，载荷的作用将传到整个物体。外部载荷会引起内力和反作用力，使得物体进入平衡状态。线性分析有两个假设：

（1）静态假设。所有载荷被缓慢且逐渐应用，直到它们达到其完全量值。在达到完全量值后，载荷保持不变（不随时间变化）。

（2）线性假设。载荷和所引起的反应力之间的关系是线性的。例如，如果将载荷加倍，模型的反应（位移、应变及应力）也将加倍。

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Simulation模块的有限元分析过程中主要包含以下三个步骤： 1. 有限元模型的创建 （1）打开几何模型 （2）定义材料的属性

（3）划分网格（节点或单元） 2．施加载荷并运行求解

（1）施加载荷及载荷选项、设定约束条件 （2）运行求解 3．查看结果生成报告 （1）查看分析结果

（2）检验结果（分析是否正确）

6.2 机械臂零部件的有限元分析

6.2.1 有限元分析过程

根据最初选择的数据对机械臂进行详细校核，可以初步设计出机械臂的三维模型，然后进行SolidWorks的有限元分析。主要步骤如下：（1）先对模型零件的属性进行设置，包括材料、载荷的大小以及结果的单位体系等的设置。（2）材料的选择，从材料库中的材料中选取。如果材料库中没有，可以添加自定义的材料并选取（3）约束条件的设置，选择面、零件的固定位置，可以选择一组约束也可以选择几组约束。（4）设置载荷，指定产生零件应力或导致零件变形的外部载荷，如力或压力。（5）开始进行分析程序，可以设置零件网格的划分程度，网格划分越细，计算结果也就越精确。也可以根据计算机推荐的网格进行划分。（6）查看并分析结果，在分析完成后，我们可以得出相应的应变形状分布图、应力分布图和位移分布图，然后生成分析结果报告。这样就可以对已经设计出来的方案进行分析和改进，从而大大简化了设计过程中繁杂的计算量，提高了设计效率。

受力分析图可以显示出零件的屈服应力，并用不同的颜色表示应力和变形程度的不同，用蓝色表示应力和变形程度小的，用红色表示应力和变形程度大的。所以，设计者很容易找出零件的薄弱环节，对自己的设计进行修改。下面对主臂及副臂总成这两个受力零件进行有限元分析。

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6.2.2 主臂的有限元分析结果

机械臂采用16Mn钢板焊接而成，这里将机械臂所有部件处理成实体，忽略焊接残余应力，依据机械臂作业工况的多样性，分别对主臂和副臂建立有限元模型和应力应变分析。

图6-1 机械臂主臂优化前的三维模型

此时主臂的基本特性参数为：质量1038.78 kg,体积0.132 m3 ，密度7850kg/m3 ，重量10180.1 N。

由于主臂是大体积的多面的固体，故采用固体网格对它进行划分，利用Simulation网格划分的自适应性来修正网格的误差，避免了繁琐的有限元计算。

表6-1 主臂有限元模型的分网参数

网格信息细节

网格类型 所用网格器 雅可比点 最大单元大小 最小单元大小 网格品质 节点总数 单元总数 最大高宽比例

单元 (%)，其高宽比例 < 3 单元 (%)，其高宽比例 > 10

实体网格 基于曲率的网格 4 点 56.2262 mm 11.2452 mm 高 25645 12819 81306 92.3 0.842

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属性

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最终得到主臂网格化后的有限元模型如图6-2所示。

图6-2 主臂有限元模型

考虑到主臂一端是连接在旋转基座上的，为保证模型在进行应力作用时有足够的约束保持稳定，故将这部分假设为固定，作参考面约束。另一端是连接在副臂上的，在工作时这一端是受到来自副臂、伸缩臂、集材机液压抓具和活立木的力矩作用，故在这端沿着主臂基准面法向施加一个力，力的大小为26744.6 N（此为参照国产BY型液压抓具和副臂总成的重量和所得），对主臂进行有限元仿真计算，其中，求解器的类型按照SolidWorks的默认设置。仿真后得到的主臂的应力分析图如图6-3所示，应变分析图如图6-4所示，位移分析图如图6-5所示。

图6-3 主臂应力图解

根据应力结果图可以看到，主臂的应力值为1.0×103～5.998×108Pa,其中主臂与副臂的连接处应力较小，主臂与旋转基座接触处的应力较大，最大达到5.998×108Pa，可见在这两段主臂的受力最为明显。

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图6-4 主臂应变分析图解

通过应变结果图结果可知，应变最小为4.193e-009，最大处在主臂与旋转基座连接处，应变最大达8.386e-004。

图6-5 主臂位移分析图解

由位移结果图可知，在主臂与副臂的连接处位移较为明显，在1.000e-030～6.609e+000mm之间，相对于主臂的尺寸是非常微小的。 6.2.3 副臂的有限元分析结果

机械臂副臂采用与主臂相同的的分析方法，在这里只介绍其分析结果，其中副臂选用的材料与主臂选用的材料相同。基本参数为：质量976.926kg，体积0.124m3，密度7850kg/m3，重量9573.61N。

副臂总成的应力分析结果图如图6-6所示。

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