混凝土水力破拆机械臂有限元分析及结构优化

邓三鹏，彭见辉，祁宇明，苗德华

（天津职业技术师范大学 机器人及智能装备研究所，天津 300222）

混凝土水力破拆机械臂有限元分析及结构优化

邓三鹏，彭见辉，祁宇明，苗德华

（天津职业技术师范大学 机器人及智能装备研究所，天津 300222）

0 引言

混凝土水力破拆机器人是用超高压水射流破拆受损混凝土，与传统机械式接触破拆相比，具有安全、高效、无污染、对钢筋无损害等优点，大大降低了工人劳动强度，在公路、隧道、桥梁、大坝、港口、矿山等混凝土维护工程中可广泛应用。美国、瑞典等国家水力破拆机器人研制较早，现在已广泛应用，目前国内还是传统的机械式破拆，但水力破拆是受损混凝土修复的发展趋势，而国外产品价格昂贵、维护不便，因而研发国产水力破拆机器人有重要工程意义。

机械臂是混凝土水力破拆机器人的执行机构，对结构的刚度、强度要求较高[1]。运用ANSYS Workbench建立机械臂有限元模型，通过静力学和模态分析，指出结构设计中薄弱部位并加以优化，分析流程如图1所示。

图1 机械臂分析流程

1 有限元分析

1.1 建立有限元模型

按等效刚度原则，简化机械臂结构。将销轴、螺栓连接简化为面接触；忽略螺纹和无应力集中的圆角、倒角；删除次要的孔、台，等效分配其质量；忽略液压马达、液压缸及液压管路，等效其配重。机械臂各关节至最大位置，在自重、负载作用下，所受载荷最大，是机械臂的极限工况，如图2所示。

图2 极限工况网格划分

1.2 有限元仿真

1）零部件材料

滚轮、连杆和销轴是45钢，其密度为7830kg.m3，泊松比为0.29，弹性模量206GPa，喷嘴是人造红宝石，密度为3500kg.m3，泊松比为0.07，弹性模量1100GPa，其余材料为Q235，密度为7850kg.m3，泊松比为0.3，弹性模量200GPa。

2）定义接触和网格划分

无相对移动的螺钉连接，用粘接接触，如连接法兰与伸缩臂、支架；有相对滑动但不分离的，用不分离接触，如伸缩臂与伸缩套、滚轮与支撑架间；有相对滑动的，用有摩擦接触，如滚轴与滚轮，摩擦系数为0.003。设置边界条件，采用自动划分网格，共197277个节点，117633个单元，如图2所示。

3）添加约束与施加载荷

机械臂所受载荷复杂，包括自重、输送管重、高压水重，射流反作用力外和风力载荷。其中，风力影响很小，输送管重、高压水重远小于射流反作用力，均可忽略不计，故机械臂受力F如式(1)所示。

式中：F1为机械臂自重；

Kd为自重系数，一般取Kd=1.2；

F2为射流反作用力。

超高压水为连续射流，喷嘴内外压力、流速不同，忽略出口截面高度差，由伯努利方程[2]，如式(2)所示，其中p1、p2为喷嘴内外压力，MPa；v1、v2为喷嘴内外平均流速，m/s；1ρ、2ρ为喷嘴内外射流密度，kg.m3。

应用流体连续方程，如式(3)所示，喷嘴出口内外两点[3]。假定喷嘴出口为圆柱形，则A=πd2/4，且ρ1=ρ2=ρ，d为喷嘴截面直径，m；A1、A2为喷嘴内外截面面积，m2。

由式(2)和流体连续方程(3)可得：

代入式(4)，可计算出射流速度v2与喷嘴内压力p1间的关系式(5)：流量等于出口截面积乘以出口射流速度，则q与d、p1间关系[4]，如式(6)所示。对射流反作用力，应用动量定理于喷嘴出口内外两点间[2]，如式(7)所示。

由力的相互作用，F2即射流反作用力，因m/Δt=ρq，经推导，F2如式(8)所示。

射流压力140MPa，流量为160L/min，射流反作用力F2=1406.5N，以均布力作用喷枪末端喷嘴；施加重力加速度，添加重力；采用固定约束立架底部四个安装孔。

图3 应力、形变云图

1.3 仿真结果分析

1）静力学分析

机械臂在射流反作用力和自身重力影响下，应力、应变如图3所示，滚轮与支撑架连接处有最大应力180.99MPa，滚轮材料为45钢，屈服极限为355MPa，一般材料最大许用应力是其屈服极限的0.5～0.8[6]，可知滚轮处应力较大，应进行优化结构。在喷枪末端有最大位移8.801mm，接近工程中所允许最大值，需提高变形较大结构的刚度。

表1 前4阶固有频率

2）模态分析

对机械结构响应影响较大的一般为低阶模态[6]，本文着重分析机械臂前4阶模态，如表1所示，前4阶振型云图如图4所示。

图4 前4阶振型图

分析可知：1阶振型图中，支架、托板和支撑架扭转变形，绕Y转动，最大位移4.736mm，在喷枪末端、支撑架左端；2阶振型图中，连接法兰、托板弯曲变形，支撑架扭转变形，绕X轴摆动，最大位移5.022mm，在喷枪末端；3阶振型图中，支撑架、托板扭转变形，伸缩臂弯曲变形，绕Z轴转动，最大位移4.91mm，在支撑架右端；4阶振型图中，支撑架、托板弯曲变形，结构绕X轴摆动，在喷枪末端有最大位移9.66mm。

机械臂为液压驱动，其一阶固有频率与液压脉动频率接近，易振动，应提高整体刚度和一阶固有频率，降低、改善应力分布。

2 机械臂结构优化与分析

2.1 结构优化

根据分析结果，提高变形较大结构刚度，并在关键处增加质量。

1）支架、连接法兰刚度小，易变形，增加两者壁厚，并在支架易变形处设置加强筋。

2）滚轮与支撑架连接处应力较大，优化并加厚滚轮和支撑架结构。

3）托板刚度不足，在背面设置加强筋并增加壁厚，避免扭转变形。

托板、滚轮与支撑架优化后如图5和图6所示。

图5 滚轮与支撑架结构优化前后

图6 托板结构优化前后

图7 优化后应力、应变云图

图8 优化后前4阶振兴图

2.2 优化分析

优化后最大应力82.14MPa、最大位移3.416mm，明显降低，如图7所示。前4阶频率对比，如表2所示，其中一阶固有频率提高至14.324Hz，避开了外界激振频率，提高36.7%；优化后前4阶振型云图，如图8所示，前4阶频率增加明显，整体刚度明显提高。

表2 优化前后前4阶频率对照

3 结论

通过对建立的机械臂有限元模型，进行仿真分析，指出机械臂结构设计中的薄弱部位，并对变形较大结构提出优化方案。

通过优化，机械臂刚度、强度得到提高，应力、形变明显降低，一阶固有频率提高36.7%，有效避免作业中的共振现象，同时模态分析为抑制机械臂振动提供了重要参考。

[1]祁宇明,邓三鹏,王仲民,等.坍塌现场高压水射流破拆机器人系统研究[J].机械设计与制造,2013,(6):209-211.

[2]王常斌,王敏,等.基于CFD的自进式喷嘴参数优化[J].石油钻采工艺,2013,(1):108-111.

[3]王圣磊.混合式磨料射流清洗试验及参数匹配研究[D].东营:中国石油大学,2009:26-35.

[4]薛胜雄,等.高压水射流技术工程[M].合肥:合肥工业大学出版社.2006:34-36,672-673.

[5]袁振清,等.化学发光免疫分析仪机械臂设计与有限元分析[J].制造业自动化,2015,01:142-147.

[6]MOKBEL H F,Design optimization of the inner gimbal for dual axis inertially stabilized platform using modal analysis[J].International Journal of Modern Engineering Research,2012,2:239-244.

Finite element analysis and structural optimization of concrete hydraulic dismantling manipulator

DENG San-peng, PENG Jian-hui, QI Yu-ming, MIAO De-hua

以混凝土水力破拆机械臂为研究目标，运用SOLIDWORKS和ANSYS WORKBENCH对机械臂进行有限元仿真分析，研究机械臂的振动特性，指出结构中薄弱部位，并提出优化方案，比较优化前后应力、形变云图和模态振型图，结果表明：机械臂的整体刚度、强度得到提高，应力、形变明显降低，同时机械臂的一阶固有频率提高明显，有效避免了破拆作业中共振现象的发生，同时模态分析结果为抑制机械臂振动提供了参考依据。

水力破拆；静力学分析；模态分析；结构优化

邓三鹏（1978 -），男，副教授，工学博士，研究方向为特种机器人系统及应用。

TH13

A

1009-0134(2015)12(上)-0061-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.23.17

2015-07-11

国家科技支撑计划课题（2015BAK06B04）；天津市科技支撑计划重点项目（14ZCZDSF00022；13ZCZDGX01500）