基于ABAQUS的机械臂结构件优化与分析

徐有军　李迎

摘 要：针对典型工况下隧道清洗车机械臂结构件的受力问题，通过ABAQUS有限元软件对机械臂结构件进行模拟分析，得出其作业时的最大应力分布与变形情况，并在此基础上对机械臂结构件进行了改进。结果证明：改进后的清洗车机械臂能够满足实际使用需求，具有良好的适应性和可靠性。

关键词：隧道清洗车；机械臂；ABAQUS；应力分析

中图分类号：U453.8 文献标志码：B

0 引 言

隧道清洗车是一种新型的特种作业机械，主要用于各种隧道内壁的清洁，由于工况复杂，要求其具有良好的适应性和可靠性。隧道清洗车通过安装在机械臂上的滚刷装置进行作业，所以对工作装置的机械臂有严格的强度和刚度要求。因此，必须运用科学的方法对隧道清洗车的机械臂进行优化与分析。随着计算机技术的发展，利用CAD、CAE软件可以解决许多技术难题，缩短产品设计周期，提高设计质量[1]。其中ABAQUS、ANSYS等大型有限元软件的开发与应用，可以有效地处理工程问题，找出最优设计方案，使结构优化设计更加科学合理[2-3]。

1 隧道清洗车典型工况的受力分析

隧道清洗车具有作业效率高、范围广、里程长等优点，而且只占用单幅车道，不用封闭隧道，对隧道内通行的车辆不会造成影响等优点，主要用于清洁隧道壁、隧道顶部以及地面。本文以隧道清洗车清洗隧道内壁为典型工况进行研究。按照中国交通法规，隧道清洗车通过高压喷水及滚刷工作装置对右侧隧道壁进行清洗作业。根据企业调研得到的隧道清洗车数据，计算出机械臂的受力情况，如表1所示。典型工况的受力分析如图1所示。

2 有限元法的分析步骤

有限元的基本思想[4]是借助于数学和力学知识，利用计算机技术解决工程技术问题。有限元分析的一般步骤如图2所示。

图2 有限元分析的一般步骤

2.1 前处理模块任务

（1） 建立分析结构的几何模型。对于几何模型复杂的结构，可以直接读取CAD软件的相关格式。

（2） 根据分析对象和目的确定有限元网格划分方案（单元类型、密度和数量）和装配方案（连接关系和位置），建立有限元分析的计算模型。

2.2 解题模块任务

形成总刚度方程，并在约束处理后求解大型联立线性方程组，最终得到节点位移。

2.3 后处理模块任务

对计算机输出的结果（包括各种应力、位移或振型等）进行必要的处理，并按照一定的方式（如等应力线、变形图、振型图等）显示打印出来，以便对分析对象的性能或设计的合理性进行分析、评估，从而作出相应的改进或优化。

3 优化后有限元建模与分析

3.1 Pro/E三维图

本文利用Pro/E软件进行三维实体建模，如图3所示。相较于以分析计算为主的有限元软件而言，专业的Pro/E软件能更快地完成三维建模，形成有限元软件的前处理模型，节约建模时间[5-6]。

3.2 单元格划分

隧道清洗车的机械臂结构件主要由钢板焊接而成，经过简化，略去了不影响强度和刚度的细小部件，保留了基本的支撑受力件（一、二节臂），对其进行有限元模型的编辑，如图4所示。整个结构用4节点的S4壳单元进行划分，单元边长设定为15 mm，一节臂单元数为3 453个，节点数为3 533个，二节臂单元数为4 270个，节点数为5 254个。其中二节臂耳部采用C3D8I六面体单元，耳部与节臂采用绑定连接[7]。弹性模量取2×1011 Pa，泊松比取03，各单元的厚度按照板材的实际厚度设定，考虑结构件的自身重量，钢材密度取7 800 kg·m-3，重力加速度为98 m·s-2。

3.3 施加约束和载荷

隧道清洗车在清洗右侧隧道壁时，对一、二节臂施加的约束和载荷，如图5所示。

图5 一、二节臂有限元模型

3.4 约束简化处理

在受力部位添加参考点，将参考点和节臂通过耦合方式连接，耳部和节臂通过绑定连接，并在受力参考点处建立局部坐标系，以施加不同方向的力，如图6所示。

图6 一、二节臂的约束简化处理

3.5 应力、应变分析

根据已改进生产的隧道清洗车机械臂结构尺寸，按照其工作范围与工作原理，选取隧道清洗车清洗隧道内壁的典型工况位置，进行受力分析，求解理论作用力。对一、二节臂进行有限元分析，研究了其在清洗右侧隧道壁时的应力分布与变形情况，如图7、8所示。采用 Pro/E建模，建立有限元模型，施加载荷和约束，利用有限元软件ABAQUS进行分析得出：隧道清洗车在典型工况下，一节臂应力为75.9 MPa，变形量为9 mm；二节臂应力为127 MPa，变形量为15 mm。采用Q235A钢优化改进后的机械臂，增加了机械臂的强度，满足实际使用要求，在复杂的工况下，具有良好的适应性和可靠性[8-10]。

图7 一节臂的应力、应变有限元分析结果

图8 二节臂的应力、应变有限元分析结果

4 工程应用

对隧道清洗车机械臂结构件的厚度进行了改进，机械臂采用Q235A钢，方管厚度由5 mm改为8 mm。批量生产的隧道清洗车已经投入使用，通过对隧道清洗车的运行情况进行调查，各地用户的反馈信息普遍显示：改进后的隧道清洗车在性能上完全满足各种工况的作业需求，保证了作业安全。

5 结 语

本文通过对隧道清洗车机械臂的受力分析，优化改进了其结构尺寸，并按照其工作范围与工作原理，选取典型的工况位置进行受力分析，求解理论作用力。采用 Pro/E建模，利用有限元软件ABAQUS对隧道清洗车的一、二节臂进行分析，得出其作业时的最大应力分布与变形情况均满足理论设计要求值。结果证明，优化改进后的机械大臂具有良好的适应性和可靠性，能够满足实际使用要求。

参考文献：

[1] 张卫龙.现代设计技术在机械设计中的应用[J].科技资讯，2012（7）：236.

[2] 刘树春，张敬佩，李初晔.机械产品设计的结构优化技术应用[J].机械设计与制造，2011（8）：75-77.

[3] 周家付.基于ANSYS的挖掘机连杆螺栓的疲劳寿命预测[J].筑路机械与施工机械化，2011，28（1）：77-78.

[4] 丁成业，罗述详.传动滚筒的有限元分析及优化[J].筑路机械与施工机械化，2011，28（12）：90-93.

[5] 胡小民.基于ABAQUS的加工中心大型横梁有限元分析及结构优化设计[D].天津：天津理工大学，2012.

[6] 钱晓琳，曹 艺.基于ABAQUS的锻件优化与分析[J].中国农机化学报，2013，34（6）：202-204.

[7] 王 艳，徐信芯，焦生杰.旋挖钻机回转平台的有限元分析[J].筑路机械与施工机械化，2013，30（5）：97-101.

[8] 刘 静.基于ANSYS的路面冷再生机机架结构分析[J].筑路机械与施工机械化，2012，29（11）：70-72.

[9] 刘明卓.基于ABAQUS的汽车座椅塑料件有限元分析与结构优化[J].塑性工程学报，2011，18（4）：116-119.

[责任编辑：杜敏浩]endprint