基于ansys的机械臂刚度和应力分析.docx
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基于ansys的机械臂刚度和应力分析
中国科学技术大学
有限元分析课程大作业
基于ansys的机械臂刚度和应力分析
——材料及结构对机械臂的刚度影响
张海滨SA11009045
钱文欢SA11009906
熊星SA11009034
一、研究背景
机械臂是面向工业领域的多关节机械手，是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。
它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的机械臂还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。
机械臂由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。
主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部。
大多数机械臂有3～6个运动自由度，其中腕部通常有1～3个运动自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。
图1六自由度机械臂
如图1所示为六自由度机械臂。
而机械臂在工作中需要承受一定的载荷，这会引起杆件的弹性变形，从而导致机械臂工作时产生一定的误差。
为了保证机械臂在运动中的定位误差，机械臂杆件结构需要有较高的刚性。
下面就机械臂杆件刚性的提高，从材料的选择、结构设计等方面进行有限元分析。
二、模型建立并导入到ansys
使用solidworks进行机械臂三维模型的建立。
根据实验室相关尺寸建立模型如下图2、3。
其中图2形象的展现了其三维外观，而图3的前视图方便说明起尺寸大小。
图2机械臂的三维模型图
图3机械臂的三维模型前视图
由于是为了研究机械臂末端的应力、应变，所以为了在ansys中分析方便，在保留主体结构设计的前提下，可将该机械臂结构进行简化，得到如图4的第一种结构模型图。
且图4中为简化后结构的主体，其后在对不同结构设计的讨论中，需对该模型进行修改。
其中模型的体积为VA=18528979.98mm3=0.01853m3。
图4简化后的结构模型1的三维图和基本尺寸
将图4所示的模型导入到ansys中：
（1）先在solidworks中把模型另存为Parasolid（*.x_t）格式（注意模型名字必须是英文，Ansys不接受中外，可保存为jxb.x_t）；
（2）然后打开Ansys，在File下选择import-PARA，找到之前保存的Parasolid（*.x_t）格式的模型，将其导入；（3）在顶上菜单栏对话框中选择PoltCtrls—Style—SolidModelFacets，如图6所示。
单击弹出如下图5的对话框，设置选择NormalFaceting。
然后在顶上菜单栏选择Polt-Volumes，之后就可以划分网格了。
图5
图6
三、分析该结构下不同材料对刚度等特性的影响
对比三种工业中常见的金属材料：
40Cr、45#、Q235，分别分析使用三种材料时在相同载荷下，机械臂模型的形变。
三种材料的特性参数如下表1。
常用结构钢牌号
弹性模量（GPa）
泊松比
密度（kg/m3）
屈服极限（MPa）
40Cr
200-211.7
0.28
7.85
785
45#
208
0.3
7.85
355
Q235
200
0.25
7.86
235
表140Cr、45#、Q235的材料特性
（1）40Cr
将导入的模型进行单元划分，而实体单元类型比较多（实体单元也是实际工程中使用最多的单元类型），常用的实体单元类型有solid45,solid92,solid185,solid187这几种。
其中把solid45,solid185可以归为第一类，他们都是六面体单元，都可以退化为四面体和棱柱体，单元的主要功能基本相同,（SOLID185还可以用于不可压缩超弹性材料）；Solid92，solid87可以归为第二类，他们都是带中间节点的四面体单元，单元的主要功能基本相同。
由于分析的模型外形比较规则，且结构相对比较简单，选择第一类单元类型即可。
所以选择solid45，使计算机运行速度相对较高。
单元类型的设置如图7所示。
根据表1中40Cr材料的特性进行相关参数的设置，如图8所示。
然后在模型的末端施加沿y轴负方向的载荷力（3000N），设置如图9，并添加如图10所示的约束。
图7机械臂模型单元化
图8模型的材料参数设置
图9施加载荷力
图10添加相关约束
选择Generalpostproc-PlotResults-Deformedshape,弹出对话框，选择Def+undefedge，单击OK，得到下图11机械臂的变形图。
图11机械臂变形图
选择Generalpostptoc-PlotResults-CounterPlot-Nodesolu,弹出如图12的对话框，选择stress下y轴方向的应力，得到如图13的节点应力图。
图12
图1340Cr节点应力图
选择Generalpostptoc-PlotResults-CounterPlot-Nodesolu，弹出图12的对话框，选择其中TotalMechanicalstrain中Y轴方向的节点位移变化，得到如图14的节点位移图。
图1440Cr节点位移图
由有限元导出的数据，得材料为40Cr时，模型的SEVQ的最大值为0.15490E+09Pa。
其中SEVQ：
VonMises是一种屈服准则,屈服准则的值我们通常叫等效应力。
Ansys后处理中"VonMisesStress"我们习惯称Mises等效应力，它遵循材料力学第四强度理论（形状改变比能理论）。
模型在y轴方向上的最大位移为0.86457E-02m。
（2）45#
模型的材料为45号钢，依据上面的步骤，得到节点应力图15和位移图16。
由有限元导出的数据，可知材料为45号钢时，模型的SEVQ最大值为0.15497E+09Pa。
而模型在y轴方向上的最大位移量为0.85122E-02m。
图1545#节点应力图
图1645#节点位移图
（3）Q235
模型的材料为Q235，依据上面的步骤，得到节点应力图17和位移图18。
由有限元导出的数据，可知材料为Q235时，模型的SEVQ最大值为0.15606E+09Pa。
而模型在y轴方向上的最大位移量为0.88642E-02m。
图17Q235节点应力图
图18Q235节点位移图
对比三种材料下的节点应力、位移的情况，得到表2，其中三种材料时，模型施加的载荷是相同的。
由表2中可见，使用40Cr、45号钢时，模型的最大等效应力相差很小，而使用Q235时，最大等效应力相对较大，而从表1中可知Q235屈服极限最小，所以不宜选择Q235作为材料。
在节点Y轴方向最大位移量上，选择40Cr时，位移量相对较大，可见相对45号钢，其易产生变形。
而同时40Cr相对较贵，所以此模型的材料较宜选择45号钢。
材料
SEVQ（Max）等效应力的最大值（MPa）
节点Y轴方向位移量的最大值（mm）
40Cr
154.90
8.6457
45#
154.97
8.5122
Q235
156.06
8.8642
表2
四、分析在不同模型结构下，对刚度等特性的影响
在分析不同模型结构时，可以保持选择材料的参数特性相同，且都可选择为45#钢，而载荷加载可定义为对称的3000N。
（1）结构模型2：
在沿X轴方向的连接杆上加工圆孔
在solidworks中将模型进行修改，其中孔的方向为沿X轴（即在YZ平面内挖孔）。
其在solidworks中的模型如图19。
其中模型的体积为VB=16997453.56mm3=0.01700m3。
图19结构为YZ平面加工孔的模型图
将该模型图导入到Ansys中，使用Ansys进行有限元分析。
得到该模型结构的各节点的应力图20和位移图21。
由有限元导出的数据，可知材料选择为45号钢时，模型的SEVQ最大值为0.15431E+09Pa=154.31MPa。
而模型在y轴方向上的最大位移量为0.97288E-02m=9.7288mm。
图20结构模型2的应力图
图21结构模型2的位移图
（2）结构模型3：
在沿X轴方向的连接杆上加工长型孔
在solidworks中将模型进行修改，其中孔的方向为沿X轴（即在YZ平面内挖孔），其在solidworks中的模型如图22。
其中模型的体积为VC=15601511.03mm3=0.01560m3。
图22模型3的三位图
将该模型图导入到Ansys中，使用Ansys进行有限元分析。
得到该模型结构的各节点的应力图23和位移图24。
由有限元导出的数据，可知材料选择为45号钢时，模型的SEVQ最大值为0.15194E+09Pa=151.94MPa。
而模型在y轴方向上的最大位移量为0.99979E-02m=9.9979mm。
图23模型结构3的应力图
图24模型结构3的位移图
（3）结构模型4：
在沿Y轴方向的连接杆上加工长型孔
在solidworks中将模型进行修改，其中孔的方向为沿Y轴（即在XZ平面内挖孔），其在solidworks中的模型如图25。
其中模型的体积为VD=16233986.04mm3=0.01623m3。
图25模型4的三维图
将该模型图导入到Ansys中，使用Ansys进行有限元分析。
得到该模型结构的各节点的应力图26和位移图27。
由有限元导出的数据，可知材料选择为45号钢时，模型的SEVQ最大值为0.15299E+09Pa=152.99MPa。
而模型在y轴方向上的最大位移量为0.11428E-01m=11.428mm。
图26模型结构4的应力图
图27模型结构4的位移图
（4）结构模型5：
在沿X轴方向的连接杆上加工长型孔,内部加肋板
在solidworks中将模型进行修改，其中孔的方向为沿X轴（即在YZ平面内挖孔），其在solidworks中的模型如图28。
其中模型的体积为VE=16486704.53mm3=0.01649m3。
图28模型5的三维图
将该模型图导入到Ansys中，使用Ansys进行有限元分析。
得到该模型结构的各节点的应力图29和位移图30。
由有限元导出的数据，可知材料选择为45号钢时，模型的SEVQ最大值为0.14925E+09Pa=149.25MPa。
而模型在y轴方向上的最大位移量为0.96534E-02m=9.6534mm。
图29模型结构5的应力图
图30模型结构5的位移图
（5）结论：
对比四种结构模型
对比四种结构模型的分析数据，得到表3，其中四种结构模型在Ansys中的分析选择的材料相同，都为45号钢，施加的载荷也是相同的为6000N。
由表3中最后一项的计算结果可知，结构模型3该项参数最小。
即相对于结构模型2、4、5，结构模型3在减少相同体积的情况下，其位移的增加量最少（之所以如此比较，是因为在重建模型时，切除的体积难易控制，而用体积变化量与位移变化量之间的关系，既能说明问题，又便于测算）。
所以结构模型3的设计对结构刚度提高最为有利；其次是加肋板的结构，但是由于肋板的安装难度比较大，所以不宜采用这种方式；圆孔的模型显然没有长型孔有效，而在Y轴方向切去长型孔的效果比原先的结构还差。
编号
结构特点
模型体积Vi（m3）
SEVQ（Max）等效应力的最大值（MPa）
节点Y轴方向位移量的最大值Yi（mm）
结构模型1
原简化后模型
VA=0.0185
154.97
8.5122
/
结构模型2
沿X轴切去圆形孔
VB=0.0170
154.31
9.7288
0.811
结构模型3
沿X轴切去椭圆孔
VC=0.0156
151.94
9.9979
0.512
结构模型4
沿Y轴切去椭圆孔
VD=0.0162
152.99
11.428
1.268
结构模型5
沿X轴切椭圆孔，加肋板
VE=0.0165
149.25
9.6534
0.571
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