基于ANSYS的攪拌摩擦點焊機器人關(guān)鍵部件的分析與優(yōu)化設(shè)計

張 松，喬鳳斌，趙維剛

（上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200245）

0 引言

攪拌摩擦焊是一種固相連接方法，自發(fā)明以來，引起了世界范圍的廣泛關(guān)注。該焊接方法是在壓力作用下，通過待焊工件的摩擦界面及其附近溫度升高，材料的變形抗力降低、塑性提高和界面氧化膜破碎，伴隨著材料產(chǎn)生塑性流變，通過界面的分子擴(kuò)散和再結(jié)晶而實現(xiàn)焊接的固態(tài)焊接方法[1]。攪拌摩擦點焊機器人是在攪拌摩擦焊基礎(chǔ)上，新近研究開發(fā)的一種創(chuàng)新的固相焊接設(shè)備, 其焊接機理是攪拌頭周圍高溫摩擦熱和材料塑性流動相互作用的結(jié)果[2]。機械結(jié)構(gòu)特性分析是設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，使用ANSYS有限元分析軟件不僅可以進(jìn)行簡單的線性和靜態(tài)分析，也可以進(jìn)行復(fù)雜的非線性和動態(tài)分析，從而對設(shè)計方案進(jìn)行參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計。

1 有限元模型的建立

對攪拌摩擦點焊機器人進(jìn)行有限元分析的第一步便是如何將機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成由節(jié)點及元素所組成的有限元模型，該有限元模型與機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的幾何外形一致。先建立實體模型，再進(jìn)行網(wǎng)格劃分，完成有限元模型的建立。攪拌摩擦點焊機器人關(guān)鍵承載部件為腰部、大臂及小臂，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以通過Pro/E與ANSYS的接口（格式：X_T）將CAD模型導(dǎo)入到ANSYS中。

2 實體模型的簡化與網(wǎng)格劃分

從CAD到CAE的轉(zhuǎn)化過程中，由于CAD三維模型具有過多的特征和細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，且不同軟件在算法和設(shè)計上有所差異，模型中比較小的特征可能會失真，導(dǎo)致實體模型的有限元網(wǎng)格劃分不易。通常對實體模型的細(xì)節(jié)進(jìn)行一定的幾何簡化，忽略一些不必要的細(xì)節(jié)，去除一些對分析影響不大的零件及特征，以利于有限元分析[3]。立足于機器人運動特性和樣機結(jié)構(gòu)特性，為保證全面準(zhǔn)確的反映部件的剛度，同時合理簡化有限元模型，在不影響所要求的分析精度下，對機器人關(guān)鍵部件的三維模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，使其能符合ANSYS分析的要求，從而節(jié)省大量的分析時間，避免資源的浪費。

網(wǎng)格劃分主要包括選取單元數(shù)據(jù)和設(shè)定網(wǎng)格劃分的參數(shù)。機器人的腰部、大臂和小臂均為實體，用三維實體單元描述，更能反應(yīng)其真實狀況。

3 關(guān)鍵部件的模態(tài)分析

隨著結(jié)構(gòu)向著重載、高速和輕量化的方向發(fā)展，對機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)設(shè)計的要求越來越迫切，結(jié)構(gòu)模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計的核心，是結(jié)構(gòu)強迫振動分析的基礎(chǔ)。

多自由度系統(tǒng)振動時，同時有多階模態(tài)存在，每階振動模態(tài)可用一組模態(tài)參數(shù)來確定。模態(tài)參數(shù)表明在哪幾種頻率下結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生共振以及在各階頻率下結(jié)構(gòu)的相對變形，對于改善結(jié)構(gòu)動態(tài)特性具有重要的意義。模態(tài)分析過程中將對大臂、小臂和腰部模型進(jìn)行簡化，求出前六階固有頻率和固有振型即可[4]。經(jīng)ANSYS分析計算，可得到腰部和小臂的固有頻率值，結(jié)果表明這三個關(guān)鍵部件均具有較高的固有頻率，工作中不易發(fā)生共振，其結(jié)構(gòu)動力學(xué)性能良好。

4 關(guān)鍵部件的靜力分析

由于機器人大臂、腰部和小臂三個部件在運動過程中幾乎承受了全部的負(fù)載，需要進(jìn)行靜力分析。通過動態(tài)仿真，可得到考慮加速度情況下三個部件的邊界條件和受力情況。根據(jù)機器人整個工作系統(tǒng)之間的約束關(guān)系，大臂、小臂和腰部的約束均為一端固定，另一端受載荷作用[5]。大臂、小臂和腰部所承受的載荷類型相似，主要有零件自身重力（輸入重力加速度就可以模擬）和集中載荷（來自負(fù)載，包括裝配反力和與之有裝配關(guān)系的工件施加給它的彎矩和扭矩）。以機器人腰部為例，經(jīng) ANSYS分析計算，腰部的有限元分析結(jié)果分別如圖1所示。

由腰部的分析結(jié)果可知，腰部的最大應(yīng)力發(fā)生在腰部與大臂連接的端面上，最大應(yīng)力值31.6Mpa，而鋁合金的許用應(yīng)力為235Mpa，顯然結(jié)構(gòu)合理、滿足強度要求且裕度較大。最大變形量為0.12mm，發(fā)生在腰部的前端面上。

同理可對大臂、小臂進(jìn)行分析計算，靜力分析結(jié)果表明各關(guān)鍵部件最大應(yīng)力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋁合金的許用應(yīng)力值，裕度非常大，而且其變形量都很小[6]。

5 關(guān)鍵部件的優(yōu)化設(shè)計

圖1 腰部的應(yīng)力和變形分布云圖

優(yōu)化設(shè)計將實際問題首先轉(zhuǎn)化為最優(yōu)問題，然后運用最優(yōu)化原理和方法，從滿足各種設(shè)計要求及限制條件的全部可行方案中，選出最優(yōu)設(shè)計參數(shù)，獲得最優(yōu)值。通過優(yōu)化設(shè)計，能夠使零件的力學(xué)性能得到改善，并且獲得理想的結(jié)構(gòu)布局和尺寸[7]。利用ANSYS的優(yōu)化模塊對攪拌摩擦點焊機器人的關(guān)鍵承載部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以在滿足結(jié)構(gòu)強度、剛度的條件下，質(zhì)量最輕為優(yōu)化原則,進(jìn)一步提高機械系統(tǒng)的各項性能。

5.1 設(shè)計變量的選定

選取腰部的前筒壁厚d1和中間電機孔徑d2為設(shè)計變量，如圖2所示，其余作不變量。

圖2 腰部的設(shè)計變量

優(yōu)化范圍：

5.2 狀態(tài)變量的選取

根據(jù)強度校核理論，鋁合金通常以屈服的形式失效，故采用第三和第四強度理論進(jìn)行校核。

σmax＜ [σ]＝ 235Mpa

腰部受載荷后的變形和小臂類似，相比大臂要小，所以現(xiàn)要求其最大變形量dmax的范圍為：

－0.075mm≤δmax≤0.075mm

5.3 目標(biāo)函數(shù)的確定

優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：

因此，確定優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為：

圖3 腰部的質(zhì)量、變形量和最大應(yīng)力分別和各設(shè)計變量的關(guān)系圖

5.4 腰部優(yōu)化結(jié)果分析

執(zhí)行ANSYS程序?qū)ρ窟M(jìn)行強剛度計算，經(jīng)過反復(fù)改變腰部的結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到腰部的質(zhì)量、變形量和最大應(yīng)力相對應(yīng)于設(shè)計變量的關(guān)系如圖3所示。

最終優(yōu)化后的應(yīng)力和變形云圖如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后腰部的應(yīng)力和變形云圖

從優(yōu)化前后腰部的設(shè)計變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)的數(shù)據(jù)可知：最優(yōu)解的最大應(yīng)力和最大變形都在許用范圍之內(nèi)且裕度有所減少。優(yōu)化后雖然第一階固有頻率值有所下降，但仍遠(yuǎn)大于機器人的工作頻率，不影響其動力學(xué)性能。優(yōu)化前后，腰部質(zhì)量分別為573.62kg和539.87kg，優(yōu)化后比其優(yōu)化前的質(zhì)量減輕了約5.9%，優(yōu)化效果不佳。

圖5 加肋板支撐后腰部的應(yīng)力和變形云圖

從腰部受力后的變形云圖看出，腰部的變形主要發(fā)生在腰部前筒面，且偏向一邊。這是由于腰部前筒一端需安裝電機，該端結(jié)構(gòu)上近似盲孔，另一端則是通孔。近似盲孔端可以看作是有肋板支撐著圓筒，所以該端變形較小，而另一端通孔處由于沒有類似的肋板支撐結(jié)構(gòu)，所以變形較大。因此，在優(yōu)化后的模型通孔一端也加上類似結(jié)構(gòu)，經(jīng)過ANSYS計算后其應(yīng)力和變形云圖如圖5所示。

從圖5中可以看出，雖然最大應(yīng)力沒什么變化，但是腰部的最大變形從0.13mm減小到了0.09mm。因此，在通孔那端加上圓環(huán)肋板，進(jìn)一步優(yōu)化。設(shè)計變量除了腰部的前筒壁厚d1和中間電機孔d2之外，還包括肋板的厚度d3和肋板上的圓孔直徑d4。

腰部的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型變?yōu)椋?/p>

執(zhí)行ANSYS程序?qū)ρ窟M(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化計算，得到腰部的質(zhì)量、變形量和最大應(yīng)力相對應(yīng)于設(shè)計變量的關(guān)系。最終加肋板支撐模型優(yōu)化后的應(yīng)力和變形云圖如圖6所示。

圖6 加肋板支撐模型優(yōu)化后腰部的應(yīng)力和變形云圖

從第二次優(yōu)化前后腰部的設(shè)計變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)值可知，腰部加了肋板支撐后，在同等的約束條件下，腰部前筒壁厚可進(jìn)一步減小，從上次優(yōu)化后的66.69mm減小到31.885mm，質(zhì)量從上次優(yōu)化后的539.87kg減小到462.95kg，此次優(yōu)化后的質(zhì)量比其不加肋板時優(yōu)化的質(zhì)量減小了約14.3%，比最初始的質(zhì)量減小了19%，且一階固有頻率從313.98Hz增加到350.86Hz，動力學(xué)性能進(jìn)一步提高，優(yōu)化效果良好[8]。

6 結(jié)論

運用ANSYS軟件對攪拌摩擦點焊機器人的關(guān)鍵承載部件進(jìn)行了模態(tài)分析和靜力分析，得到了各部件的固有頻率、振型及應(yīng)力、變形分布等情況，并以此為理論依據(jù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，最終在滿足強度、剛度和最大變形量要求的基礎(chǔ)上，使結(jié)構(gòu)性能進(jìn)一步提高，對攪拌摩擦點焊機器人設(shè)備的研制具有重要意義。

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