智能車庫車輛搬運(yùn)器起重夾持機(jī)構(gòu)的有限元分析

（華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063000）

摘 要：通過使用Abaqus有限元軟件分析智能車庫搬運(yùn)器起重夾持機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。分析結(jié)果中指出了在最大承載情況下加持機(jī)構(gòu)的受力情況，從而能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)計的不足之處，并適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化，使其滿足設(shè)計的要求。結(jié)果表明，分析結(jié)果與實際情況基本相符。

關(guān)鍵詞：有限元;夾持機(jī)構(gòu);強(qiáng)度

1 引言

智能車庫車輛搬運(yùn)器起重夾持機(jī)構(gòu)是拾取車輛的直接承載部件，起重夾持機(jī)構(gòu)的安全性能直接決定了整個智能車庫的安全運(yùn)營。通過傳統(tǒng)方法對起重夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計跟校核雖然有效，但在實際校核中會隨著工況不同導(dǎo)致機(jī)構(gòu)的脆弱部分發(fā)生變化，因此，所謂合理的假設(shè)會造成結(jié)果失真的現(xiàn)象。通過采用Abaqus軟件進(jìn)行分析跟校核，不但能夠真實體現(xiàn)受力情況，而且根據(jù)具體情況更能容易調(diào)整約束條件。較傳統(tǒng)條件更加直白的顯示動態(tài)效果，具有很好的高效性和可信度。

2 有限元分析

通過Abaqus軟件進(jìn)行分析要通過模型的建立、約束邊界條件并施加載荷、網(wǎng)格的化分、結(jié)果分析等步驟。前兩步是分析的重點(diǎn)，最后一步主要是對結(jié)果的查看與分析處理。

2.1 模型的建立

（1）創(chuàng)建模型及屬性：通過SolidWorks三維軟件進(jìn)行簡化建模并導(dǎo)出格式為.sat格式文件，然后導(dǎo)入到Abaqus軟件中（如圖1）。此圖已經(jīng)做了一些簡單化結(jié)構(gòu)處理，以便于在網(wǎng)格化分得到簡化，如圖1左邊楔形結(jié)構(gòu)部分。

右側(cè)楔形結(jié)構(gòu)上面裝有圓柱形滾輪，主要功能是夾持起重汽車輪胎進(jìn)行拾取使其脫離地面，然后通過小車的行走進(jìn)行搬運(yùn)車輛，在不影響分析結(jié)果的前提下簡化成如圖左側(cè)的結(jié)構(gòu)。左側(cè)是起重夾持伸縮機(jī)構(gòu)，主要功能是完成夾持塊的伸縮與支撐。搬運(yùn)器起重夾持機(jī)構(gòu)的工況條件是：低速、高負(fù)載、要求形變小的環(huán)境條件。由于強(qiáng)度較高，塑性和韌性較好，屬于綜合力學(xué)性能比較好的鋼，因此，根據(jù)承載能力、安全可靠性選用材料為45號鋼（優(yōu)質(zhì)碳素鋼）作為原材料。其中，經(jīng)過熱處理后能夠達(dá)到=600MPa、=355MPa、楊氏模量（E）=210GPa、泊松比（）=0.236、密度（）=7890Kg/m3。

（2）定義材料屬性：車輛搬運(yùn)器起重夾持機(jī)構(gòu)選用材料為45號鋼，該材料的力學(xué)彈性屬性是：彈性模量為210GPa，泊松比為0.269，彈性類型為各向同性。然后創(chuàng)建截面屬性并對起重夾持機(jī)構(gòu)賦予截面屬性。

2.2 約束邊界條件并施加載荷

（1）約束邊界條件：通過設(shè)定邊界條件約束，確定待分析部件因受到外部因素而引起變形以及內(nèi)外部位的受力情況。根據(jù)搬運(yùn)器起重夾持機(jī)構(gòu)的實際安裝情況，左側(cè)伸縮機(jī)構(gòu)通過導(dǎo)軌以及卡口連接，右側(cè)畸形結(jié)構(gòu)斜面與汽車輪胎直接接觸。通過實際情況轉(zhuǎn)化到靜力學(xué)分析，可以確定左側(cè)伸縮機(jī)構(gòu)端面被完全固定，右側(cè)楔形機(jī)構(gòu)的斜面是受力表面。通過Abaqus軟件操作可以確定邊界約束情況跟施加載荷情況如圖2所示。

（2）施加載荷：起重夾持機(jī)構(gòu)通過夾持汽車輪胎來對車輛進(jìn)行拾取，當(dāng)整個待搬運(yùn)車輛車輛被完全抬起來的時候，夾持機(jī)構(gòu)最大靜載荷達(dá)到最大值。夾持機(jī)構(gòu)安全性能跟成本直接跟商家的利益直接相關(guān)，因此，施加載荷的合理性至關(guān)重要。假設(shè)搬運(yùn)器允許搬運(yùn)的最大車重3000Kg。一個搬運(yùn)器需要4組夾持機(jī)構(gòu)同時對待搬運(yùn)車輛4個輪胎進(jìn)行拾取，每組夾持器由一對夾持機(jī)構(gòu)組成。通過計算可知每組夾持機(jī)構(gòu)受力為。楔形斜面與底面成，通過靜力學(xué)分析可知，楔形斜面正壓力。由于輪胎與楔形斜面的接觸是面接觸，因此，等效成壓力更為貼切，則壓力。

2.3 網(wǎng)格的化分

（1）定義網(wǎng)格單元類型：由于經(jīng)簡化后結(jié)構(gòu)模型并不復(fù)雜，因此，采用單元類型單元庫類型中的standard，簇采用C3D8R（三位應(yīng)力）：八結(jié)點(diǎn)線性六面體單元。

（2）網(wǎng)格的化分：在Abaqus中劃分網(wǎng)格前首先對裝配件設(shè)為獨(dú)立部件才能夠進(jìn)行劃分。網(wǎng)格化分包括自由網(wǎng)格化分跟映射網(wǎng)格化分，因為自由網(wǎng)格較常用在劃分形狀不規(guī)則并且邊界形狀復(fù)雜的區(qū)域，精確度不高。對于映射網(wǎng)格化分具有較高的精確度，但這種網(wǎng)格化分區(qū)域需要一定的拓?fù)錀l件，否則不能采用映射劃分網(wǎng)格。對于結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜的搬運(yùn)器起重夾持機(jī)構(gòu)簡化模型，雖然滿足映射網(wǎng)格化分條件，但采用以自由網(wǎng)格為主，映射網(wǎng)格為輔的方式也能夠滿足要求。采用全局單元網(wǎng)格近似尺寸為5，先進(jìn)性網(wǎng)格化分，然后經(jīng)檢查網(wǎng)格缺陷分析可知，共劃分六面體網(wǎng)格單元數(shù)為13826個，楔形網(wǎng)格單元數(shù)為710個，如圖3所示。

2.4 結(jié)果分析與后處理

通過創(chuàng)建分析步并提交作業(yè)后，可以得到應(yīng)力云圖S（圖4）和位移云圖U（圖5）所示。可以看到在伸縮機(jī)構(gòu)最左端最大應(yīng)力為69.85MPa，右端最大位移為1.197mm。一般來說，最大變形不應(yīng)超過0.7mm才能滿足搬運(yùn)安裝要求。因此，為了減小位移變形跟右端卡口部位的應(yīng)力情況，需要對原有設(shè)計進(jìn)行更改，增大伸縮直徑為70mm，減小變形程度。修改后的應(yīng)力云圖（圖6）和位移云圖（圖7）如圖所示。從云圖結(jié)果中可以看出最大位移變形量明顯減小，最大位移變形變成0.4741mm，滿足設(shè)計裝配要求。

3 結(jié)論

經(jīng)過Abaqus軟件分析可以得出，采用伸縮桿采用直徑為70mm時，起重夾持機(jī)構(gòu)的整體位移變形進(jìn)一步縮小，為將來安裝定位設(shè)備進(jìn)一步提高了定位精度。

參考文獻(xiàn)：

[1]張煒.立體車庫中自動搬運(yùn)小車的研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2013（04）.

[2]曲勝.基于TRIZ的立體車庫汽車搬運(yùn)器創(chuàng)新設(shè)計與研究[D].山東：山東建筑大學(xué)，2013（04）.

[3]曹金鳳，石亦平.ABAQUS有限元分析常見問題解答[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[4]李建功，程秀芳，彭偉.機(jī)械設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.