基于HyperWorks的机械手主悬梁有限元分析及结构优化

周永，王硕煜，陆志忠

基于HyperWorks的机械手主悬梁有限元分析及结构优化

周永，王硕煜，陆志忠

（安徽马钢表面技术股份有限公司，安徽 马鞍山 243000）

基于HyperWorks对主悬梁进行了强度分析，依据计算结果，针对主悬梁材料冗余问题，进行了结构优化设计，并对优化方案进行了有限元强度分析，验证了主悬梁结构优化设计方案的有效性。

主悬梁；有限元分析；优化设计；HyperWorks

机械手是能模仿人手的动作，在驱动系统和控制系统配合下完成某些抓放、搬运物件或操持工具等工作的自动机 械化装置，在机械加工生产中已广泛应用于材料的搬运等 工作，能有效降低生产成本，改善工人劳动条件，提高生产效率[1]。

针对圆柱体类毛坯在环形加热炉的自动上下料问题，设计了一种环形加热炉装出料机械手，采用三维设计软件INVENTOR进行三维设计，并利用有限元分析软件HyperWorks对机械手关键受力零部件进行有限元分析和 结构优化设计，为机械手结构设计的可靠性和合理性提供依据。

1 有限元模型的建立

1.1 三维模型的建立

机械手机构主要是机械手臂，它控制机械手的伸缩运动和升降运动，所以为了方便分析，这里先不考虑机身的旋转，把机身看作固定的，各部分结构简化成基本杆件，得到机械手平面机构简图。由动力学仿真分析可知机械手运动过程中主悬梁受力最大，所以，对主悬梁进行有限元分析研究，利用三维建模软件INVENTOR建立主悬梁三维模型。

1.2 网格划分

在HyperWorks分析模块中，分析计算的是有限元模型而不是几何模型，所以需要对几何模型进行网格划分。有限元划分就是将连续体进行离散化，利用简化几何单元来近似逼近连续体，然后根据变形协调条件综合求解[2]。本文采用了自动划分法，对主悬梁模型进行网格划分，并在重要位置和计算数据变化梯度较大的部位（比如应力集中处）采用比较密集的网格。

1.3 材料参数设置

本文所研究的主悬梁材料为Q345-B，根据机械设计手册，可以查得材料特性[3]弹性模量=2.14MPa，泊松比=0.33，密度=7.85 g/cm2，条件屈服极限0.2=345 MPa，强度极限b=500 MPa。

1.4 载荷及约束条件

主悬梁在C铰链点支反力最大，C点受力最大时所处的位置是与水平成48°角。为了方便建立有限元模型，将主悬梁与水平轴成48°夹角放置分析，按HyperWorks中的坐标及方向，对主悬梁的D点处进行约束，使其=0、=0；对A点处进行约束，使其=0、=0。对C铰链孔圆柱面上施加载荷，大小为x=﹣29 849 N，y=﹣9 426 N，如图1所示。

图1 主悬梁有限元模型

2 有限元计算及结果分析

在完成对主悬梁的加载约束、定义分析类型、分析选项等设置后，开始有限元求解。在评价强度分析计算结果时通常采用第四强度理论导出的等效应力v（又称为Von Mises应力）来评价[4]，可以用式（1）表示，本文也将采用Von Mises应力作为强度评价的主要指标：

式（1）中：v为Von Mises应力；1、2、3为第一、第二、第三主应力。

为了保证构件安全工作并具有必要的强度储备，通常把极限应力除以一个安全系数，并将结果作为构件的许用应力。机械手主悬梁工作条件近似起重机械的小车梁[5]，机械设计手册[4]中规定，对于一般Q345-B材质的起重机械小车梁安全系数可取为3～4，出于安全考虑，本文选取安全系数为4，主悬梁材料的条件屈服极限0.2为345 MPa，则许用应力为：

由主悬梁的应力云图可以看出，主悬梁的应力过渡平滑，未出现明显的应力集中现象，主悬梁最大Von Mises应力为10.08 MPa，与材料的许用应力86.25 MPa相比还有一定富余，尤其从主悬梁的应力分布云图中可以看出，主悬梁大部分区域为蓝色，即应力极小，基本不起到承受载荷的作用，因此，可以认为主悬梁材料有较大冗余，有必要对其进行结构优化设计。

3 主悬梁结构优化设计

根据主悬梁应力分布云图对其进行结构优化设计，得到如图2所示的新几何结构，优化设计方案主要在主悬梁中部方管4个面分别去除了部分材料，在区域A处减少了1块筋板。采用四面体单元对主悬梁的优化设计方案重新进行网格划分，建立有限元模型。

图2 主悬梁优化设计方案

对优化设计方案的有限元模型施加与优化前相同的载荷工况和边界条件，进行有限元强度分析，计算结果如图3所示。

主悬梁优化设计方案的最大应力为43.8 MPa，大于优化前的10.08 MPa，结构强度有所降低，但最大应力仍低于主悬梁的许用应力86.25 MPa，可以满足结构强度要求。主悬梁优化改进方案质量为269 kg，优化前结构质量311 kg，结构质量减轻了42 kg，占原方案的13.5%，减重效果显著。

4 结论

本文在利用三维设计软件INVENTOR建立环形加热炉装出料机械手主要受力部件主悬梁的三维模型基础上，通过有限元分析软件HyperWorks建立主悬梁运动过程中最大受力位置的有限元模型，并完成有限元分析，有限元计算结果表明主悬梁原设计方案的强度满足使用要求。

图3 主悬梁优化设计方案应力云图

针对主悬梁原设计方案存在较大材料冗余的情况，结合应力分布云图对主悬梁进行结构优化设计，并对改进方案进行了有限元分析，改进方案较原方案去除了13.5%的冗余材料，结构强度有所降低，但仍满足结构强度要求。减少材料的使用量，可降低机械手悬臂质量，提高机械手整体稳定性。

在产品设计开发过程中利用有限元软件进行仿真计算和分析，可缩短新产品开发周期，降低设计开发成本，为产品结构设计的可靠性和合理性提供理论依据。

［1］王宇钢，朱彦松.气动搬运机械手设计及运动仿真研究［J］.现代制造技术与装备，2018（7）：34-36.

［2］青秀文，赵东升.基于HyperMesh的三轮汽车长拐臂有限元分析［J］.农业装备与车辆工程，2018，56（1）：92-94.

［3］成大先.机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2016.

［4］聂毓琴，孟广伟.材料力学［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［5］李淑华，李树森.桥式起重机桥架结构的ANSYS有限元分析［J］.林业机械与木工设备，2005，6（33）：28-30.

U415.5

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.18.009

2095－6835（2020）18－0024－02

〔编辑：张思楠〕