基于ansys的机械臂刚度和应力分析.docx

1、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36个运动自由度，其中腕部通常有

2、13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

3、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_

4、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PoltCtrlsStyleSolid Model Facets，如图6所示。单击弹出如下图5的对话框，设置选择Normal Faceting。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（G

5、Pa）泊松比密度（kg/m3）屈服极限（MPa）40Cr200-211.70.287.8578545#2080.37.85355Q2352000.257.86235表1 40Cr、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

6、，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General postproc-Plot Results-Deformed shape,弹出对话框，选择Def+undef

7、 edge，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General postptoc-Plot Results-Counter Plot-Node solu,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13 40Cr节点应力图选择General postptoc-Plot Results-Counter Plot-Node solu，弹出图12的对话框，选择其中Total Mechanical strain中Y轴方向的节点位移变化，得到如图14的节点位移图。图14 40Cr节点位移图由有限元导出的数据，得材料为40Cr时，模型

8、的SEVQ的最大值为0.15490E+09Pa。其中SEVQ： Von Mises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Von Mises Stress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15 45#节点应力图图16 45#节点位移图(3)Q

9、235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17 Q235节点应力图图18 Q235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，

10、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)40Cr154.908.645745#154.978.5122Q235156.068.8642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

11、。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

12、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（

13、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

14、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

15、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=0.0185154.978.5122/结构模型2沿X轴切去圆形孔VB=0.0170154.319.72880.811结构模型3沿X轴切去椭圆孔VC=0.0156151.949.99790.512结构模型4沿Y轴切去椭圆孔VD=0.0162152.9911.4281.268结构模型5沿X轴切椭圆孔，加肋板VE=0.0165149.259.65340.571