基于ANSYS的攪拌摩擦點焊機器人關鍵部件的分析與優化設計

張 松，喬鳳斌，趙維剛

（上海航天設備制造總廠，上海 200245）

0 引言

攪拌摩擦焊是一種固相連接方法，自發明以來，引起了世界范圍的廣泛關注。該焊接方法是在壓力作用下，通過待焊工件的摩擦界面及其附近溫度升高，材料的變形抗力降低、塑性提高和界面氧化膜破碎，伴隨著材料產生塑性流變，通過界面的分子擴散和再結晶而實現焊接的固態焊接方法[1]。攪拌摩擦點焊機器人是在攪拌摩擦焊基礎上，新近研究開發的一種創新的固相焊接設備, 其焊接機理是攪拌頭周圍高溫摩擦熱和材料塑性流動相互作用的結果[2]。機械結構特性分析是設計中的重要環節，使用ANSYS有限元分析軟件不僅可以進行簡單的線性和靜態分析，也可以進行復雜的非線性和動態分析，從而對設計方案進行參數化優化設計。

1 有限元模型的建立

對攪拌摩擦點焊機器人進行有限元分析的第一步便是如何將機械結構系統轉化成由節點及元素所組成的有限元模型，該有限元模型與機械結構系統的幾何外形一致。先建立實體模型，再進行網格劃分，完成有限元模型的建立。攪拌摩擦點焊機器人關鍵承載部件為腰部、大臂及小臂，其結構較為復雜，所以通過Pro/E與ANSYS的接口（格式：X_T）將CAD模型導入到ANSYS中。

2 實體模型的簡化與網格劃分

從CAD到CAE的轉化過程中，由于CAD三維模型具有過多的特征和細節結構，且不同軟件在算法和設計上有所差異，模型中比較小的特征可能會失真，導致實體模型的有限元網格劃分不易。通常對實體模型的細節進行一定的幾何簡化，忽略一些不必要的細節，去除一些對分析影響不大的零件及特征，以利于有限元分析[3]。立足于機器人運動特性和樣機結構特性，為保證全面準確的反映部件的剛度，同時合理簡化有限元模型，在不影響所要求的分析精度下，對機器人關鍵部件的三維模型進行適當簡化，使其能符合ANSYS分析的要求，從而節省大量的分析時間，避免資源的浪費。

網格劃分主要包括選取單元數據和設定網格劃分的參數。機器人的腰部、大臂和小臂均為實體，用三維實體單元描述，更能反應其真實狀況。

3 關鍵部件的模態分析

隨著結構向著重載、高速和輕量化的方向發展，對機械結構進行動態設計的要求越來越迫切，結構模態分析是結構動態設計的核心，是結構強迫振動分析的基礎。

多自由度系統振動時，同時有多階模態存在，每階振動模態可用一組模態參數來確定。模態參數表明在哪幾種頻率下結構會產生共振以及在各階頻率下結構的相對變形，對于改善結構動態特性具有重要的意義。模態分析過程中將對大臂、小臂和腰部模型進行簡化，求出前六階固有頻率和固有振型即可[4]。經ANSYS分析計算，可得到腰部和小臂的固有頻率值，結果表明這三個關鍵部件均具有較高的固有頻率，工作中不易發生共振，其結構動力學性能良好。

4 關鍵部件的靜力分析

由于機器人大臂、腰部和小臂三個部件在運動過程中幾乎承受了全部的負載，需要進行靜力分析。通過動態仿真，可得到考慮加速度情況下三個部件的邊界條件和受力情況。根據機器人整個工作系統之間的約束關系，大臂、小臂和腰部的約束均為一端固定，另一端受載荷作用[5]。大臂、小臂和腰部所承受的載荷類型相似，主要有零件自身重力（輸入重力加速度就可以模擬）和集中載荷（來自負載，包括裝配反力和與之有裝配關系的工件施加給它的彎矩和扭矩）。以機器人腰部為例，經 ANSYS分析計算，腰部的有限元分析結果分別如圖1所示。

由腰部的分析結果可知，腰部的最大應力發生在腰部與大臂連接的端面上，最大應力值31.6Mpa，而鋁合金的許用應力為235Mpa，顯然結構合理、滿足強度要求且裕度較大。最大變形量為0.12mm，發生在腰部的前端面上。

同理可對大臂、小臂進行分析計算，靜力分析結果表明各關鍵部件最大應力都遠遠小于鋁合金的許用應力值，裕度非常大，而且其變形量都很小[6]。

5 關鍵部件的優化設計

圖1 腰部的應力和變形分布云圖

優化設計將實際問題首先轉化為最優問題，然后運用最優化原理和方法，從滿足各種設計要求及限制條件的全部可行方案中，選出最優設計參數，獲得最優值。通過優化設計，能夠使零件的力學性能得到改善，并且獲得理想的結構布局和尺寸[7]。利用ANSYS的優化模塊對攪拌摩擦點焊機器人的關鍵承載部件進行優化設計，以在滿足結構強度、剛度的條件下，質量最輕為優化原則,進一步提高機械系統的各項性能。

5.1 設計變量的選定

選取腰部的前筒壁厚d1和中間電機孔徑d2為設計變量，如圖2所示，其余作不變量。

圖2 腰部的設計變量

優化范圍：

5.2 狀態變量的選取

根據強度校核理論，鋁合金通常以屈服的形式失效，故采用第三和第四強度理論進行校核。

σmax＜ [σ]＝ 235Mpa

腰部受載荷后的變形和小臂類似，相比大臂要小，所以現要求其最大變形量dmax的范圍為：

－0.075mm≤δmax≤0.075mm

5.3 目標函數的確定

優化目標函數為：

因此，確定優化數學模型為：

圖3 腰部的質量、變形量和最大應力分別和各設計變量的關系圖

5.4 腰部優化結果分析

執行ANSYS程序對腰部進行強剛度計算，經過反復改變腰部的結構參數，得到腰部的質量、變形量和最大應力相對應于設計變量的關系如圖3所示。

最終優化后的應力和變形云圖如圖4所示。

圖4 優化后腰部的應力和變形云圖

從優化前后腰部的設計變量、狀態變量和目標函數的數據可知：最優解的最大應力和最大變形都在許用范圍之內且裕度有所減少。優化后雖然第一階固有頻率值有所下降，但仍遠大于機器人的工作頻率，不影響其動力學性能。優化前后，腰部質量分別為573.62kg和539.87kg，優化后比其優化前的質量減輕了約5.9%，優化效果不佳。

圖5 加肋板支撐后腰部的應力和變形云圖

從腰部受力后的變形云圖看出，腰部的變形主要發生在腰部前筒面，且偏向一邊。這是由于腰部前筒一端需安裝電機，該端結構上近似盲孔，另一端則是通孔。近似盲孔端可以看作是有肋板支撐著圓筒，所以該端變形較小，而另一端通孔處由于沒有類似的肋板支撐結構，所以變形較大。因此，在優化后的模型通孔一端也加上類似結構，經過ANSYS計算后其應力和變形云圖如圖5所示。

從圖5中可以看出，雖然最大應力沒什么變化，但是腰部的最大變形從0.13mm減小到了0.09mm。因此，在通孔那端加上圓環肋板，進一步優化。設計變量除了腰部的前筒壁厚d1和中間電機孔d2之外，還包括肋板的厚度d3和肋板上的圓孔直徑d4。

腰部的優化數學模型變為：

執行ANSYS程序對腰部進行進一步的優化計算，得到腰部的質量、變形量和最大應力相對應于設計變量的關系。最終加肋板支撐模型優化后的應力和變形云圖如圖6所示。

圖6 加肋板支撐模型優化后腰部的應力和變形云圖

從第二次優化前后腰部的設計變量、狀態變量和目標函數值可知，腰部加了肋板支撐后，在同等的約束條件下，腰部前筒壁厚可進一步減小，從上次優化后的66.69mm減小到31.885mm，質量從上次優化后的539.87kg減小到462.95kg，此次優化后的質量比其不加肋板時優化的質量減小了約14.3%，比最初始的質量減小了19%，且一階固有頻率從313.98Hz增加到350.86Hz，動力學性能進一步提高，優化效果良好[8]。

6 結論

運用ANSYS軟件對攪拌摩擦點焊機器人的關鍵承載部件進行了模態分析和靜力分析，得到了各部件的固有頻率、振型及應力、變形分布等情況，并以此為理論依據進行了優化設計，最終在滿足強度、剛度和最大變形量要求的基礎上，使結構性能進一步提高，對攪拌摩擦點焊機器人設備的研制具有重要意義。

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