联合采伐机六足行走装置单足力学解算与分析

杨卫杰　孟兆新　秦国新

摘要：联合采伐机等重型机械都需要灵活而又稳定的行走装置，本文设计的六足行走装置就是为了满足联合采伐机等林业机械在山地、坡地等特殊地形的爬行和越障要求。单足是六足行走装置中的重要组成部分。根据六足行走装置的受力特点，将其受力情况进行简化处理，进而进行机构的正解算，得到力学参数，然后利用UG软件对联合采伐机的六足行走装置进行三维建模，再利用ANSYS对部分零件进行有限元分析，得到单足的各个零件的变形图和应力图，最后根据单足各个零件的变形程度和应力分布状况，确定出最大变形量和最大应力，将最大值与许用值进行比较，从而校核其强度。通过分析和比较的得到最大值小于许用值，说明单足零件能够满足在假设条件下的强度要求。

关键词：单足；力学分析；有限元分析

中图分类号：S 776.33文献标识码：A文章编号：1001-005X（2015）01-0066-04

The Mechanics Calculation and Analysis of a Single Foot within

the Six Legged Walking Device of Combined Harvesting Machine

Yang Weijie1，2，Meng Zhaoxin1*，Qin Guoxin1

（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040；

2.School of Mechanical Engineering Automation，Beihang University，Beijing 100191）

Abstract：A flexible and stable walking device is required in heavy machines such as combined harvesting machine.This paper is designed to satisfy the needs of walking of the combined harvesting machine in the mountain，slope and other special crawling terrain.Single foot is an important part in the six legged walking device.Based on the stress characteristics，the stress is simplified，and then the mechanism of positive solution，mechanics parameters are obtained.The UG software is used to present the threedimensional model of six legged walking device，then ANSYS is used to illustrate the finite element analysis of the parts and the stress diagram and the strain diagram of the single foot can be obtained.According to the degree of deformation of single foot and the distribution of stress，the maximum deformation and the maximum stress can be determined.By comparing the maximum allowable values with the maximum data，we find that the single foot can meet the strength requirements under the necessary conditions.

Keywords： single foot；mechanics analysis；finite element analysis

收稿日期：2014-06-24

基金項目：黑龙江省自然科学基金项目（C201238）

第一作者简介：杨卫杰，东北林业大学本科，北京航天航空大学硕士研究生。研究方向：机械设计制造及其自动化。Email：jixieshejiywj@163.com

*通讯作者：孟兆新，博士，教授。研究方向：机械设计制造及其自动化。Email：349325368@qq.com

引文格式：杨卫杰，孟兆新，秦国新.联合采伐机六足行走装置单足力学解算与分析[J].森林工程，2015，31（1）：66-70.目前在国内联合采伐机械的研制仍处于初级阶段，很少有关联合采伐机的科研，有一小部分也进展缓慢，无法积极投入市场，特别需要大量的人力和物力投入。科技上的局限性已经严重限制到我国在多功能机械方面上的研究。上世纪曾进行过此类机械的引进和吸收，但很多研究都没有得到进一步的加深。对于适应我国林业状况的自动化设备的成果较少。虽然近年来我国计算机技术、智能控制技术等相关领域飞速发展，但是这些先进的自动化技术在林业机械上的应用也很落后[1]。在重型底盘的研究也很少。大多采用履带式和轮式的很少有采用六足行走的。对六足行走装置的单足部分的力学分析和有限元校核是十分必要的。本文应用UG进行三维建模，并利用三维图生成二维工程图，最后利用AutoCAD二维软件对工程图进行完善。然后通过ANSYS软件进行有限元的校核。

1力学解算

六足行走机器人以机构设计和程序控制两部分为主[2]。本设计主要对其进行机构设计。由于受外界环境中外力和地面障碍物的影响，使机器人的稳定性受到影响[3]。本设计中是通过三足支撑的，只要重心落在三角形范围内就能保证其稳定。六足行走装置主要由六条单足，两个架体（上、下架体）和平衡机构组成。每条单足由基节、肱节、胫节三部分构成[4]。架体都是有45号20a型的工字钢焊接而成的。平衡机构是由杆组构成的。每条腿均有三个自由度[5]。它解决了轮式和履带式行走机构对复杂路面、非结构性环境通过性差等问题[6]。其原理简图如图1所示。

图1六足行走装置原理简图

Fig.1 Schematic diagram of six legged walking device

考虑到架体距离地面的高度情况，将肱节的长度设计为1 000 mm，将胫节的长度设计为1 650 mm。

第1期杨卫杰等：联合采伐机六足行走装置单足力学解算与分析

森林工程第31卷

单足胫基是与地面直接接触的部分，直接承受着地面对其的作用力。整个机器重2 t，采用的是三点支撑，故每个单足承受的力是20 000/3 N。单足胫基又是比较长的部分，属于细长杆，故对其进行设计时需要考虑到压杆稳定问题，然后在校核其应力、应变。

单足的力学模型如图2和图3所示。

图2单足受力分析图

Fig.2 Single foot force diagram图3受力简化图

Fig.3 Simplified diagram of stress

对单足胫基的压杆稳定问题考虑如下：

材料为45钢，其E=200GPa，σp=280MPa，σs=350MPa，承受轴向压力F=6.667kN。若nst=5，校核连杆的稳定性。

假定其为细长杆，则Fcr=π2EI（0.7l）2。

因为Fcr≥nst·F=5×6 670=33 350 N，所以Fcr=π2EI（0.7l）2≥33 350 NI≤2 256.16。

故取杆的截面几何形状为长方形，其中长为100 mm，宽为90 mm。

此时，压杆在i最小的纵向平面内抗弯刚度最小，柔度最大，临界应力将最小[7]。因而压杆失稳一定发生在压杆λmax的纵向平面内：

λmax=μlimin=0.7×1 6506.075×106=1.9×10-4。

而λp=πEσP=π200×109280×106=83.92；

λs=a-σsb=416-3502.568=43.2。

式中：λs为柔度下限值；λp为柔度上限值；a为工程材料参数；b为工程材料参数。

因为λmax<λs，此压杆属小柔度杆。

σcr=σs=350MPa。

Fcr=Aσcr=100×90×350N=315×104N=3 150kN。

n=FcrF=3 1506.67=472>nst。

所以此压杆稳定。

单足肱节的压杆稳定性校核如下：

λmax=μlimin=0.7×1 0005.468×106=1.28×10-4。

而λp=πEσP=π200×109280×106=83.92。

λs=a-σsb=416-3502.568=43.2。

因为λmax<λs，此压杆属小柔度杆。

σcr=σs=350MPa。

Fcr=Aσcr=90×90×350N=2 835×103N=2 835kN。

n=FcrF=2 8356.67=425>nst。

所以此压杆稳定。

2建立模型

考虑到加工工艺和零件的特殊性，在保证总体尺寸的情况下将局部进行圆滑过渡和近似尺寸[8]，进行详细设计得到工程图如下图4和图5所示。

图4单足肱节工程图

Fig.4 Single foot humeral section drawings

图5单足胫节工程图

Fig.5 Single foot to tibia engineering drawings

利用UG进行三维建模。单足各部分三维建模如下图6和图7所示。

图6单足肱节图

Fig.6 Single foot humeral section diagram图7单足胫节图

Fig.7 Single foot to tibia diagram

3网格划分

利用UG将文件生成实体模式，再将实体导入到ANSYS中，完成有限元中的三维建模。实体模型采用Solid185單元。它为三维八节点的实体。采用45号钢[9]。材料的弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，密度为7 800 kg/m3 。在ANSYS中采用常用的自由划分的方式进行网格划分[10]。如图8和图9所示。图8单足肱节网格划分

Fig.8 Single foot humeral section mesh图9单足胫节网格划分

Fig.9 Single foot to tibia mesh

4有限元分析

该单足在行走过程中起到支撑稳定的作用，在六足每行走一次都有三个单足进行三角形支撑，只要重心落下次三角形内，该装置将会保持稳定状态。在瞬时稳定状态下其中的肱节和胫节分别处于二力杆状态且处于挤压状态。所以在施加载荷时对其两端铰接部分中的上部分施加向下的均匀面载荷，下部分施加向上的均匀面载荷。其值大小为20 000/3N。施加完载荷后，进行计算，计算完成后，在一般后处理中查看单足肱节和单足胫节的位移图和应力图。如图10～图13所示。

图10单足肱节位移图

Fig.10 Single foot humeral section displacement map图11单足肱节应力图

Fig.11 Single foot humeral section stress

图12单足胫节位移图

Fig.12 Single foot tibial displacement map图13单足胫节应力图

Fig.13 Single foot to tibia stress

5结论

本文通过简化模型，利用ANSYS软件进行有限元分析得到相应的位移云图和应力云图，进而校核其强度。通过观察知道强度满足要求。主要完成以下任务。

（1）结合国内外六足机器人发展状态与林用采伐机工作环境，确定了六足行走装置、升降机构、平衡机构组合的结构。

（2）进行了六足行走装置的本体设计，升降机构设计，平衡机构组合的结构设计本。利用UG进行了三维建模，并生成了二维工程图，利用CAD进行修改最终完成任务。

（3）对关键零件运用有限元技术进行了校核，结果强度符合使用需求。

【参考文献】

[1]魏占国.联合伐木机工作装置的虚拟设计与运动仿真研究[D].哈尔滨：东北林业大学，2008.

[2]关浩，王文涛，刘宁.采用气压驱动的六足行走机器人及PLC控制[J].液压气动与密封，2007（4）：24-26.

[3]柳天虹，姜树海.仿生六足机器人稳定性分析与仿真[J].计算机仿真，2013，30（12）：360-364.

[4]朱晓峰.六足仿生机器人单腿结构设计及其柔性控制研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

[5]王倩.六足仿生机器人步态规划与控制系统研制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

[6]王怡民.对称式仿生六足行走装置.中国，CN 102267509 A[P]，2011-12-07.

[7]田玉梅，呂书青.材料力学[M].北京：科学出版社，2009.

[8]王启平.机械制造工艺学[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2005.

[9]吕宏，王慧.机械设计[M].北京：北京大学出版社，2009.

[10]丁毓峰.ANSYS有限元分析完全手册[M].北京：电子工业出版社，2011.

[责任编辑：李洋]