混凝土水力破拆機械臂有限元分析及結構優化

鄧三鵬，彭見輝，祁宇明，苗德華

（天津職業技術師范大學 機器人及智能裝備研究所，天津 300222）

混凝土水力破拆機械臂有限元分析及結構優化

鄧三鵬，彭見輝，祁宇明，苗德華

（天津職業技術師范大學 機器人及智能裝備研究所，天津 300222）

0 引言

混凝土水力破拆機器人是用超高壓水射流破拆受損混凝土，與傳統機械式接觸破拆相比，具有安全、高效、無污染、對鋼筋無損害等優點，大大降低了工人勞動強度，在公路、隧道、橋梁、大壩、港口、礦山等混凝土維護工程中可廣泛應用。美國、瑞典等國家水力破拆機器人研制較早，現在已廣泛應用，目前國內還是傳統的機械式破拆，但水力破拆是受損混凝土修復的發展趨勢，而國外產品價格昂貴、維護不便，因而研發國產水力破拆機器人有重要工程意義。

機械臂是混凝土水力破拆機器人的執行機構，對結構的剛度、強度要求較高[1]。運用ANSYS Workbench建立機械臂有限元模型，通過靜力學和模態分析，指出結構設計中薄弱部位并加以優化，分析流程如圖1所示。

圖1 機械臂分析流程

1 有限元分析

1.1 建立有限元模型

按等效剛度原則，簡化機械臂結構。將銷軸、螺栓連接簡化為面接觸；忽略螺紋和無應力集中的圓角、倒角；刪除次要的孔、臺，等效分配其質量；忽略液壓馬達、液壓缸及液壓管路，等效其配重。機械臂各關節至最大位置，在自重、負載作用下，所受載荷最大，是機械臂的極限工況，如圖2所示。

圖2 極限工況網格劃分

1.2 有限元仿真

1）零部件材料

滾輪、連桿和銷軸是45鋼，其密度為7830kg.m3，泊松比為0.29，彈性模量206GPa，噴嘴是人造紅寶石，密度為3500kg.m3，泊松比為0.07，彈性模量1100GPa，其余材料為Q235，密度為7850kg.m3，泊松比為0.3，彈性模量200GPa。

2）定義接觸和網格劃分

無相對移動的螺釘連接，用粘接接觸，如連接法蘭與伸縮臂、支架；有相對滑動但不分離的，用不分離接觸，如伸縮臂與伸縮套、滾輪與支撐架間；有相對滑動的，用有摩擦接觸，如滾軸與滾輪，摩擦系數為0.003。設置邊界條件，采用自動劃分網格，共197277個節點，117633個單元，如圖2所示。

3）添加約束與施加載荷

機械臂所受載荷復雜，包括自重、輸送管重、高壓水重，射流反作用力外和風力載荷。其中，風力影響很小，輸送管重、高壓水重遠小于射流反作用力，均可忽略不計，故機械臂受力F如式(1)所示。

式中：F1為機械臂自重；

Kd為自重系數，一般取Kd=1.2；

F2為射流反作用力。

超高壓水為連續射流，噴嘴內外壓力、流速不同，忽略出口截面高度差，由伯努利方程[2]，如式(2)所示，其中p1、p2為噴嘴內外壓力，MPa；v1、v2為噴嘴內外平均流速，m/s；1ρ、2ρ為噴嘴內外射流密度，kg.m3。

應用流體連續方程，如式(3)所示，噴嘴出口內外兩點[3]。假定噴嘴出口為圓柱形，則A=πd2/4，且ρ1=ρ2=ρ，d為噴嘴截面直徑，m；A1、A2為噴嘴內外截面面積，m2。

由式(2)和流體連續方程(3)可得：

代入式(4)，可計算出射流速度v2與噴嘴內壓力p1間的關系式(5)：流量等于出口截面積乘以出口射流速度，則q與d、p1間關系[4]，如式(6)所示。對射流反作用力，應用動量定理于噴嘴出口內外兩點間[2]，如式(7)所示。

由力的相互作用，F2即射流反作用力，因m/Δt=ρq，經推導，F2如式(8)所示。

射流壓力140MPa，流量為160L/min，射流反作用力F2=1406.5N，以均布力作用噴槍末端噴嘴；施加重力加速度，添加重力；采用固定約束立架底部四個安裝孔。

圖3 應力、形變云圖

1.3 仿真結果分析

1）靜力學分析

機械臂在射流反作用力和自身重力影響下，應力、應變如圖3所示，滾輪與支撐架連接處有最大應力180.99MPa，滾輪材料為45鋼，屈服極限為355MPa，一般材料最大許用應力是其屈服極限的0.5～0.8[6]，可知滾輪處應力較大，應進行優化結構。在噴槍末端有最大位移8.801mm，接近工程中所允許最大值，需提高變形較大結構的剛度。

表1 前4階固有頻率

2）模態分析

對機械結構響應影響較大的一般為低階模態[6]，本文著重分析機械臂前4階模態，如表1所示，前4階振型云圖如圖4所示。

圖4 前4階振型圖

分析可知：1階振型圖中，支架、托板和支撐架扭轉變形，繞Y轉動，最大位移4.736mm，在噴槍末端、支撐架左端；2階振型圖中，連接法蘭、托板彎曲變形，支撐架扭轉變形，繞X軸擺動，最大位移5.022mm，在噴槍末端；3階振型圖中，支撐架、托板扭轉變形，伸縮臂彎曲變形，繞Z軸轉動，最大位移4.91mm，在支撐架右端；4階振型圖中，支撐架、托板彎曲變形，結構繞X軸擺動，在噴槍末端有最大位移9.66mm。

機械臂為液壓驅動，其一階固有頻率與液壓脈動頻率接近，易振動，應提高整體剛度和一階固有頻率，降低、改善應力分布。

2 機械臂結構優化與分析

2.1 結構優化

根據分析結果，提高變形較大結構剛度，并在關鍵處增加質量。

1）支架、連接法蘭剛度小，易變形，增加兩者壁厚，并在支架易變形處設置加強筋。

2）滾輪與支撐架連接處應力較大，優化并加厚滾輪和支撐架結構。

3）托板剛度不足，在背面設置加強筋并增加壁厚，避免扭轉變形。

托板、滾輪與支撐架優化后如圖5和圖6所示。

圖5 滾輪與支撐架結構優化前后

圖6 托板結構優化前后

圖7 優化后應力、應變云圖

圖8 優化后前4階振興圖

2.2 優化分析

優化后最大應力82.14MPa、最大位移3.416mm，明顯降低，如圖7所示。前4階頻率對比，如表2所示，其中一階固有頻率提高至14.324Hz，避開了外界激振頻率，提高36.7%；優化后前4階振型云圖，如圖8所示，前4階頻率增加明顯，整體剛度明顯提高。

表2 優化前后前4階頻率對照

3 結論

通過對建立的機械臂有限元模型，進行仿真分析，指出機械臂結構設計中的薄弱部位，并對變形較大結構提出優化方案。

通過優化，機械臂剛度、強度得到提高，應力、形變明顯降低，一階固有頻率提高36.7%，有效避免作業中的共振現象，同時模態分析為抑制機械臂振動提供了重要參考。

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Finite element analysis and structural optimization of concrete hydraulic dismantling manipulator

DENG San-peng, PENG Jian-hui, QI Yu-ming, MIAO De-hua

以混凝土水力破拆機械臂為研究目標，運用SOLIDWORKS和ANSYS WORKBENCH對機械臂進行有限元仿真分析，研究機械臂的振動特性，指出結構中薄弱部位，并提出優化方案，比較優化前后應力、形變云圖和模態振型圖，結果表明：機械臂的整體剛度、強度得到提高，應力、形變明顯降低，同時機械臂的一階固有頻率提高明顯，有效避免了破拆作業中共振現象的發生，同時模態分析結果為抑制機械臂振動提供了參考依據。

水力破拆；靜力學分析；模態分析；結構優化

鄧三鵬（1978 -），男，副教授，工學博士，研究方向為特種機器人系統及應用。

TH13

A

1009-0134(2015)12(上)-0061-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.23.17

2015-07-11

國家科技支撐計劃課題（2015BAK06B04）；天津市科技支撐計劃重點項目（14ZCZDSF00022；13ZCZDGX01500）