四自由度搬砖机械装置受力分析

舒逸夫 李 然 袁世珏 童金文

（湖北汽车工业学院 机械工程学院，十堰 442002）

1 背景介绍

随着建筑行业的快速发展，四自由度搬砖机械装置在砖垛快速装车搬运方面发挥着越来越重要的作用。承重螺栓是四自由度搬砖机械装置主要的承载部件，其强度对搬砖机械的安全使用至关重要[1]。四自由度搬砖机械装置中承重螺栓的失效形式为轴向拉断[2]，设计传统的搬砖机械承重结构（螺栓）时几乎没有考虑受力问题，通常采用增大结构尺寸和加强筋的方式来保证强度满足使用要求。现在，螺栓或螺纹连接的强度分析主要采用的方法有解析法和有限元法[3]，解析法在螺栓强度分析计算处理过程中进行了大量的简化，且部分参数计算繁杂，从而限制了其广泛应用[4-5]。随着计算机技术的进步、数值计算技术的发展，有限元成为螺栓或螺栓连接强度分析的主要手段[6-7]。

本文以有限元分析为基础，采用解析法与有限元法相结合的方式，首先采用解析法，得到螺栓螺纹处的安全尺寸；其次，在保证螺纹处不被拉断失效的前提下，利用有限元法着重分析螺栓根部处的断裂问题；最后，根据分析结果，合理改进螺栓根部的结构，以提高螺栓根部的抗拉强度，同时，提出螺纹部分结构设计的合理建议，为搬砖机械装置承重部件（螺栓）的设计提供一定的理论依据。

2 四自由度搬砖机械装置工作原理

四自由度搬砖机械装置工作原理如图1所示，机械装置能满足在笛卡尔坐标系中三个方向的移动以及沿着竖直方向的转动共4个自由度，同时，还设计有专门的夹持机构[8]。

图1 四自由度搬砖机械装置工作原理

由以上分析可知，夹持机构在夹持砖垛运动过程时，承重螺栓一直承受砖垛很大的轴向拉伸载荷作用，故需要对承重螺栓进行强度分析。

3 解析法强度分析计算

承重螺栓的螺纹连接类似于起重吊钩，螺栓危险截面在螺纹牙根圆柱的横截面上[9]，其拉伸强度条件为：

整理得到：

式中，d1为螺栓的螺纹小径，单位mm；S为松螺栓连接安全系数；σs为螺栓材料的屈服应力，单位MPa；F为工作载荷，单位N；选择承重螺栓材料为DG20Mn，安全系数S=5[10]，材料的性能参数[11]如表1所示。

表1 材料DG20Mn性能参数

搬砖机械工作载荷（包含夹具）的最大值F=5.5×104N，将以上结果带入式（2）可得：

根据螺栓螺纹小径的计算值，选择螺栓公称直径d=42mm，长度为200mm，则螺栓螺纹处的应力值为：

4 有限元法强度分析计算

承重螺栓二维图如图2所示。

图2 承重螺栓二维图

根据解析法计算结果，所设计的承重螺栓参数如表2所示。径来替代，忽略螺纹部分）如图3所示。

表2 承重螺栓参数（单位：mm）

图3 螺栓三维模型

根据表2所选择的螺栓材料性能参数，在分析过程中，单元类型采用Structural Solid中的Brick8node185，网格类型选择四面体自由网格，约束为螺栓根部的面约束，限制所有的自由度，载荷为沿着Z轴负方向的面拉力，载荷作用面为螺栓头部的平面。根据以上设置，仿真得到的结果如图4和图5所示（ANSYS中选择单位类型为CGS型）。

图4 Z向应力图

图5 应力云图

根据以上有限元分析，螺栓在轴向载荷作用下，由图5可知，螺纹处应力最大值为σmax1=0.450×109P/s= 0.450×108Pa=45.0MPa，由图4可知，螺栓根部应力最大值为 σmax2=0.932×109P/s=0.932×108Pa=93.2MPa。由以上分析可知，螺纹处强度满足使用要求，但螺栓根部处强度不满足使用要求，故需要改进螺栓根部结构。

为了提高螺栓根部的强度，在螺栓根部进行圆角滚压，滚压尺寸R=16mm，尺寸s由65mm变为80mm，同时对螺栓表面进行氧化、喷丸等处理来提高材料的疲劳强度[12]。螺栓根部圆角滚压后的三维图如图6所示。

图6 螺栓根部圆角滚压三维图

在相同约束和载荷条件下，仿真得到的结果如图7、图8所示。

图7 Z向应力图

图8 应力云图

根据以上有限元分析，螺栓在轴向载荷作用下，由图8可知，螺纹处应力最大值为σmax1=40.1MPa，由图7可知，螺栓根部应力最大值为σmax2=59.0MPa，螺纹和螺栓根部处强度均满足使用要求，且改进螺栓根部结构后，此处应力降低幅度达到36.7%。

在三维建模过程中省略了螺纹部分的结构，但是在保证螺纹小径尺寸安全的情况下，螺纹对整个螺栓或螺栓连接的强度会有一定的影响，故需要考虑螺纹部分的结构设计，在设计螺纹结构时考虑以下方面：在螺纹牙根处用圆角取代尖角；当螺纹升角β≤4°时，螺旋失效应对螺栓应力的影响较小[13]。

5 结论

本文采用解析法与有限元法相结合的方式，首先，利用解析法得到螺栓螺纹处的安全尺寸；其次，在保证螺纹处不被拉断失效的前提下，利用有限元法着重分析螺栓根部处的断裂问题，根据分析结果，改进螺栓根部的结构以及对螺栓表面进行氧化、喷丸处理，结构改进大大提高了螺栓的抗拉强度，螺栓根部的应力降低幅度达到36.7%；最后，提出了螺纹部分结构设计的合理建议，为搬砖机械装置承重部件（螺栓）的设计提供了一定的理论依据。

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