基于ABAQUS的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)件優(yōu)化與分析

徐有軍　李迎

摘 要：針對典型工況下隧道清洗車機(jī)械臂結(jié)構(gòu)件的受力問題，通過ABAQUS有限元軟件對機(jī)械臂結(jié)構(gòu)件進(jìn)行模擬分析，得出其作業(yè)時的最大應(yīng)力分布與變形情況，并在此基礎(chǔ)上對機(jī)械臂結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了改進(jìn)。結(jié)果證明：改進(jìn)后的清洗車機(jī)械臂能夠滿足實(shí)際使用需求，具有良好的適應(yīng)性和可靠性。

關(guān)鍵詞：隧道清洗車；機(jī)械臂；ABAQUS；應(yīng)力分析

中圖分類號：U453.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0 引 言

隧道清洗車是一種新型的特種作業(yè)機(jī)械，主要用于各種隧道內(nèi)壁的清潔，由于工況復(fù)雜，要求其具有良好的適應(yīng)性和可靠性。隧道清洗車通過安裝在機(jī)械臂上的滾刷裝置進(jìn)行作業(yè)，所以對工作裝置的機(jī)械臂有嚴(yán)格的強(qiáng)度和剛度要求。因此，必須運(yùn)用科學(xué)的方法對隧道清洗車的機(jī)械臂進(jìn)行優(yōu)化與分析。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用CAD、CAE軟件可以解決許多技術(shù)難題，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量[1]。其中ABAQUS、ANSYS等大型有限元軟件的開發(fā)與應(yīng)用，可以有效地處理工程問題，找出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，使結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理[2-3]。

1 隧道清洗車典型工況的受力分析

隧道清洗車具有作業(yè)效率高、范圍廣、里程長等優(yōu)點(diǎn)，而且只占用單幅車道，不用封閉隧道，對隧道內(nèi)通行的車輛不會造成影響等優(yōu)點(diǎn)，主要用于清潔隧道壁、隧道頂部以及地面。本文以隧道清洗車清洗隧道內(nèi)壁為典型工況進(jìn)行研究。按照中國交通法規(guī)，隧道清洗車通過高壓噴水及滾刷工作裝置對右側(cè)隧道壁進(jìn)行清洗作業(yè)。根據(jù)企業(yè)調(diào)研得到的隧道清洗車數(shù)據(jù)，計(jì)算出機(jī)械臂的受力情況，如表1所示。典型工況的受力分析如圖1所示。

2 有限元法的分析步驟

有限元的基本思想[4]是借助于數(shù)學(xué)和力學(xué)知識，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決工程技術(shù)問題。有限元分析的一般步驟如圖2所示。

圖2 有限元分析的一般步驟

2.1 前處理模塊任務(wù)

（1） 建立分析結(jié)構(gòu)的幾何模型。對于幾何模型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，可以直接讀取CAD軟件的相關(guān)格式。

（2） 根據(jù)分析對象和目的確定有限元網(wǎng)格劃分方案（單元類型、密度和數(shù)量）和裝配方案（連接關(guān)系和位置），建立有限元分析的計(jì)算模型。

2.2 解題模塊任務(wù)

形成總剛度方程，并在約束處理后求解大型聯(lián)立線性方程組，最終得到節(jié)點(diǎn)位移。

2.3 后處理模塊任務(wù)

對計(jì)算機(jī)輸出的結(jié)果（包括各種應(yīng)力、位移或振型等）進(jìn)行必要的處理，并按照一定的方式（如等應(yīng)力線、變形圖、振型圖等）顯示打印出來，以便對分析對象的性能或設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行分析、評估，從而作出相應(yīng)的改進(jìn)或優(yōu)化。

3 優(yōu)化后有限元建模與分析

3.1 Pro/E三維圖

本文利用Pro/E軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模，如圖3所示。相較于以分析計(jì)算為主的有限元軟件而言，專業(yè)的Pro/E軟件能更快地完成三維建模，形成有限元軟件的前處理模型，節(jié)約建模時間[5-6]。

3.2 單元格劃分

隧道清洗車的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)件主要由鋼板焊接而成，經(jīng)過簡化，略去了不影響強(qiáng)度和剛度的細(xì)小部件，保留了基本的支撐受力件（一、二節(jié)臂），對其進(jìn)行有限元模型的編輯，如圖4所示。整個結(jié)構(gòu)用4節(jié)點(diǎn)的S4殼單元進(jìn)行劃分，單元邊長設(shè)定為15 mm，一節(jié)臂單元數(shù)為3 453個，節(jié)點(diǎn)數(shù)為3 533個，二節(jié)臂單元數(shù)為4 270個，節(jié)點(diǎn)數(shù)為5 254個。其中二節(jié)臂耳部采用C3D8I六面體單元，耳部與節(jié)臂采用綁定連接[7]。彈性模量取2×1011 Pa，泊松比取03，各單元的厚度按照板材的實(shí)際厚度設(shè)定，考慮結(jié)構(gòu)件的自身重量，鋼材密度取7 800 kg·m-3，重力加速度為98 m·s-2。

3.3 施加約束和載荷

隧道清洗車在清洗右側(cè)隧道壁時，對一、二節(jié)臂施加的約束和載荷，如圖5所示。

圖5 一、二節(jié)臂有限元模型

3.4 約束簡化處理

在受力部位添加參考點(diǎn)，將參考點(diǎn)和節(jié)臂通過耦合方式連接，耳部和節(jié)臂通過綁定連接，并在受力參考點(diǎn)處建立局部坐標(biāo)系，以施加不同方向的力，如圖6所示。

圖6 一、二節(jié)臂的約束簡化處理

3.5 應(yīng)力、應(yīng)變分析

根據(jù)已改進(jìn)生產(chǎn)的隧道清洗車機(jī)械臂結(jié)構(gòu)尺寸，按照其工作范圍與工作原理，選取隧道清洗車清洗隧道內(nèi)壁的典型工況位置，進(jìn)行受力分析，求解理論作用力。對一、二節(jié)臂進(jìn)行有限元分析，研究了其在清洗右側(cè)隧道壁時的應(yīng)力分布與變形情況，如圖7、8所示。采用 Pro/E建模，建立有限元模型，施加載荷和約束，利用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行分析得出：隧道清洗車在典型工況下，一節(jié)臂應(yīng)力為75.9 MPa，變形量為9 mm；二節(jié)臂應(yīng)力為127 MPa，變形量為15 mm。采用Q235A鋼優(yōu)化改進(jìn)后的機(jī)械臂，增加了機(jī)械臂的強(qiáng)度，滿足實(shí)際使用要求，在復(fù)雜的工況下，具有良好的適應(yīng)性和可靠性[8-10]。

圖7 一節(jié)臂的應(yīng)力、應(yīng)變有限元分析結(jié)果

圖8 二節(jié)臂的應(yīng)力、應(yīng)變有限元分析結(jié)果

4 工程應(yīng)用

對隧道清洗車機(jī)械臂結(jié)構(gòu)件的厚度進(jìn)行了改進(jìn)，機(jī)械臂采用Q235A鋼，方管厚度由5 mm改為8 mm。批量生產(chǎn)的隧道清洗車已經(jīng)投入使用，通過對隧道清洗車的運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)查，各地用戶的反饋信息普遍顯示：改進(jìn)后的隧道清洗車在性能上完全滿足各種工況的作業(yè)需求，保證了作業(yè)安全。

5 結(jié) 語

本文通過對隧道清洗車機(jī)械臂的受力分析，優(yōu)化改進(jìn)了其結(jié)構(gòu)尺寸，并按照其工作范圍與工作原理，選取典型的工況位置進(jìn)行受力分析，求解理論作用力。采用 Pro/E建模，利用有限元軟件ABAQUS對隧道清洗車的一、二節(jié)臂進(jìn)行分析，得出其作業(yè)時的最大應(yīng)力分布與變形情況均滿足理論設(shè)計(jì)要求值。結(jié)果證明，優(yōu)化改進(jìn)后的機(jī)械大臂具有良好的適應(yīng)性和可靠性，能夠滿足實(shí)際使用要求。

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[責(zé)任編輯：杜敏浩]endprint