基于SolidWorks 与有限元理论一种机械臂设计方法的研究

韩德东，魏占国，邵忠喜

(1.哈尔滨工业大学 机电学院，黑龙江 哈尔滨 150001;2.北京林业大学 工学院，北京 100083)

0 引言

本文的主要研究对象是大型联合伐木机的机械臂部分，该机械臂可以看作是一个开链式刚性多连杆机构，连杆之间通过旋转关节和平移关节连接在一起，始端关节固定在旋转基座上，末端连杆为自由端。对于具体分析这类机械臂，它可以分为多个四连杆机构，而整个机械臂在一定工况下可看作是一个四连杆机构。针对这种结构相对复杂的机械臂设计，在装配试制前采用计算机虚拟设计技术进行仿真优化是目前广泛使用的设计方法。

1 机械臂三维模型的建立

本文采用SolidWorks 软件进行三维建模，建模后的机械臂三维模型效果图如图1 所示。机械臂是联合伐木机的核心部分［1］，对机械臂部分做了详细的三维重建，所有参数均使用公开的实际参数尺寸，只是为便于以后的结构优化，在建模时适当的对部分特征做了简化，但保留了全部的机械作业特征。

图1 机械臂三维模型效果图

2 机械臂三维模型结构有限元分析

2.1 建立COSMOS/Works 设计专题

在用SolidWorks 设计完几何模型后，这里使用COSMOS/Works 插件对其进行分析［2-3］。分析模型的第一步是建立一个设计专题。设计专题是由一系列参数定义的，这些参数完整的表述了物理问题的有限元分析［4］。当对一个零件或装配体进行分析时，要得到它在不同工作条件下的不同反应，就要求运行不同类型的分析，实验不同的材料，或指定不同的工作条件。每个专题都将针对其中的一种情况，运用强大的有限元模型和解决技术，COSMOS/Works 快速的研究多种条件下的情况。

一个设计专题的完整定义包括以下几方面:1)分析类型和选项;2)材料;3)负荷和约束;4)网格。

在运行一个专题前，必需定义好指定的分析类型所需要的材料属性。在装配体中，每一个零件可以是不同的材料。对壳定义用面属性，每一个壳体具有不同的材料和厚度，有三种方法定义材料的属性:1)从COSMOS/Works 材料库中指定;2)手工指定材料的属性值;3)从CENTOR MATERIAL LIBRARY(一个插件)中指定。

选定材料后进行材料的编辑/浏览，COSMOS/Works中包含一个材料编辑/浏览器，可以定义材料的参数，并将这种材料加入到COSMOS 材料库中。通过已知材料，利用COSMOS/Works 的材料库赋予大臂材料特性，图2 为对机械臂大臂添加材料的操作。

图2 为机械臂添加材料属性

最初设计时大臂的外观图如图3。

图3 大臂优化前的效果图

此时大臂的基本特性参数为(选择材料为16 锰钢):质量1 832 982.3 g，体 积867 099 051.83 mm3，表 面积9 872 049.24 mm2。

由于大臂是大体积的多面固体，故采用固体网格对它进行划分，利用COSMOS/Works 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。网格划分后结果如图4。

图4 网格划分后效果图

考虑到大臂一端是连接在旋转底座上的，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。另一端是链接在小臂上的，在工作时这一端是受到来自小臂和吊装物体的力矩作用，故在这端延大臂基准面法向方向施加一个力，力的大小为2 000×9.8 N，添加约束和负荷后的示意图如图5。

图5 加载约束和负荷示意图

2.2 运行分析

当进行完设定材料、定义负荷、约束和对模型进行网格划分后，就可以进行有限元分析了。要运行一个专题，在管理树中用右键单击该专题，选择“运行算例”或者点击工具栏中的“运行”按钮。此时将出现分析进度信息框，如图6:

图6 分析进度信息图

COSMOS/Works 运行快速、稳定、准确。使用了新的技术减少了分析时间、磁盘空间和内存大小。COSMOS/Works 提供以下几种解决方案:1)The Direct Spare solver;2)The FFe solver(iterative);3)The FFEPlus solver(iterative)。

在上面三个解决方案中都运用了state－of－the－art有限元技术，以达到两个目的:精确、快速。分析结束后的效果如图7。

图7 大臂分析结束后效果图

2.3 观察结果

运行分析后，系统自动为每种类型的分析生成一个标准的结果报告。点击左侧管理器设计树应力选项，即可得到应力图解，如图8。

图8 大臂应力图解

根据结果可看到［5］，大臂与小臂的连接处受到的应力为7.346e+003 N/m2～5.020e+006 N/m2，大臂与旋转座接触处的应力较大，最大达到3.008e +007 N/m2，可见在这两段大臂的受力最为明显。

点击位移选项，得到位移图解，如图9。

图9 大臂合力位移图解

有图解可知，在大臂与小臂连接处位移较为明显，在2.581e－003 m～1.936e－003 m 之间，相对与大臂的尺寸是非常微小的。

应变是指长度的变化△L 与原长度L 之比，即应变=△L/L。点击变形选项得到如图10。

图10 大臂应变图解

通过应变分析结果可知，在大臂与小臂的连接处应变较小，仅为4.115e－008。最大处在大臂与旋转底座连接处，如图11 所示，应变最大达1.160e－008。

图11 大臂与旋转底座连接处应变图

3 分析结果后的优化设计

根据以上分析结果可知，大臂的受力变化主要集中在两端连接处，特别是大臂与小臂的连接处，大臂中间部位变化较小，考虑到这一情况，做出如下优化建议:1)对大臂中间部分采取减薄设计，以减轻大臂的质量;2)对大臂两端进行加厚设计，提高其承载能力。

优化设计后的效果如图12。

图12 大臂优化设计后效果图

优化后大臂的基本特征参数为:质量1 278 290.9 g，体积792 179 363.02 mm3，表面积9 712 838.84 mm2。可见，基本参数都发生了较明显的变化，特别是质量减轻了554 691.4 g，体积减少了74 919 688.81 mm3，表面积减少了159 210.4 mm2。下面根据优化后的设计重新进行分析效果如图13。

图13 优化后的分析效果图

应力分析结果如图14，大臂与小臂的连接处受到的应力为6.914e+002 N/m2～3.519e+006 N/m2，大臂与旋转座接触处的应力较大。可见优化后，小臂与大臂连接处的应力有了明显的减小，证实了优化的合理效果。

图14 大臂优化后应力分析结果图

位移分析结果如图15，结果显示位移较明显的大臂与小臂连接处的位移为2.888e－003 m～2.166e－003 m，有一定的减小，即设计参照尺寸基本符合实际应用要求。

图15 大臂优化位移后分析结果图

应变分析结果如图16，分析结果显示在大臂与小臂的连接处应变为1.167e－008。较优化前变化明显。

图16 大臂优化后应变分析结果图

综上分析结果，经过优化设计后，大臂的质量、体积、表面积都发生了较明显的变化，有利于整个装置功率的合理设置，节省材料，提高作业装置的承载力。符合机械优化设计的理论要求，并达到了预期的效果。

机械臂小臂的分析方法和过程与大臂是相同的，在这里只介绍分析结果，其中小臂的材料选用了与大臂相同的材料。基本参数为:质量835 665.05 g，体积388 447 266.93 mm3，表面积9 030 859.89 mm2。优化后的小臂基本特征参数为:质量466 571.39 g，体积337 886 492.09 mm3，表面积8 798 931.20 mm2，质量减少了369 093.66 g，体积减少了50 560 774.84 mm3，表面积减少了231 928.69 mm2。可见在基本特征参数上优化效果比较明显，起到了减轻质量，节省材料的作用，小臂优化前后的应力分析结果如图17、18 所示。

4 总结

通过对机械臂的有限元分析，直观的验证了利用公开资料进行虚拟设计的结构特性和结果，再现了在虚拟状态下机械臂模型受力变形后的效果，同时结合实际的作业要求，对部分设计提出了建议和修改，以提高实际样机的可生产性。也为进行物理样机的试制提供试验依据，显著地缩短了研发周期，降低了设计成本。

［1］叶修梓，陈超祥.SolidWorks 高级教程:高级装配［M］.北京:机械工业出版社，2007.

［2］黄跃飞，徐广红.基于SolidWorks 软件对机构进行运动分析的图解方法［J］.江西理工大学学报，2007，(2):14-16.

［3］刘国良，刘洛麒.SolidWorks2006 完全学习手册——图解COSMOS/Works［M］.北京:电子工业出版社，2006.8.

［4］周宁.ANSYS 机械工程应用实例［M］.北京:中国水利水电出版社，2006.5.

［5］计三有，袁华.ANSYS 及SolidWorks 在模具设计中的集成与应用［J］.武汉理工大学学报(信息与管理工程版)2007，(5):43-46.