聯合采伐機六足行走裝置單足力學解算與分析

楊衛杰　孟兆新　秦國新

摘要：聯合采伐機等重型機械都需要靈活而又穩定的行走裝置，本文設計的六足行走裝置就是為了滿足聯合采伐機等林業機械在山地、坡地等特殊地形的爬行和越障要求。單足是六足行走裝置中的重要組成部分。根據六足行走裝置的受力特點，將其受力情況進行簡化處理，進而進行機構的正解算，得到力學參數，然后利用UG軟件對聯合采伐機的六足行走裝置進行三維建模，再利用ANSYS對部分零件進行有限元分析，得到單足的各個零件的變形圖和應力圖，最后根據單足各個零件的變形程度和應力分布狀況，確定出最大變形量和最大應力，將最大值與許用值進行比較，從而校核其強度。通過分析和比較的得到最大值小于許用值，說明單足零件能夠滿足在假設條件下的強度要求。

關鍵詞：單足；力學分析；有限元分析

中圖分類號：S 776.33文獻標識碼：A文章編號：1001-005X（2015）01-0066-04

The Mechanics Calculation and Analysis of a Single Foot within

the Six Legged Walking Device of Combined Harvesting Machine

Yang Weijie1，2，Meng Zhaoxin1*，Qin Guoxin1

（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040；

2.School of Mechanical Engineering Automation，Beihang University，Beijing 100191）

Abstract：A flexible and stable walking device is required in heavy machines such as combined harvesting machine.This paper is designed to satisfy the needs of walking of the combined harvesting machine in the mountain，slope and other special crawling terrain.Single foot is an important part in the six legged walking device.Based on the stress characteristics，the stress is simplified，and then the mechanism of positive solution，mechanics parameters are obtained.The UG software is used to present the threedimensional model of six legged walking device，then ANSYS is used to illustrate the finite element analysis of the parts and the stress diagram and the strain diagram of the single foot can be obtained.According to the degree of deformation of single foot and the distribution of stress，the maximum deformation and the maximum stress can be determined.By comparing the maximum allowable values with the maximum data，we find that the single foot can meet the strength requirements under the necessary conditions.

Keywords： single foot；mechanics analysis；finite element analysis

收稿日期：2014-06-24

基金項目：黑龍江省自然科學基金項目（C201238）

第一作者簡介：楊衛杰，東北林業大學本科，北京航天航空大學碩士研究生。研究方向：機械設計制造及其自動化。Email：jixieshejiywj@163.com

*通訊作者：孟兆新，博士，教授。研究方向：機械設計制造及其自動化。Email：349325368@qq.com

引文格式：楊衛杰，孟兆新，秦國新.聯合采伐機六足行走裝置單足力學解算與分析[J].森林工程，2015，31（1）：66-70.目前在國內聯合采伐機械的研制仍處于初級階段，很少有關聯合采伐機的科研，有一小部分也進展緩慢，無法積極投入市場，特別需要大量的人力和物力投入。科技上的局限性已經嚴重限制到我國在多功能機械方面上的研究。上世紀曾進行過此類機械的引進和吸收，但很多研究都沒有得到進一步的加深。對于適應我國林業狀況的自動化設備的成果較少。雖然近年來我國計算機技術、智能控制技術等相關領域飛速發展，但是這些先進的自動化技術在林業機械上的應用也很落后[1]。在重型底盤的研究也很少。大多采用履帶式和輪式的很少有采用六足行走的。對六足行走裝置的單足部分的力學分析和有限元校核是十分必要的。本文應用UG進行三維建模，并利用三維圖生成二維工程圖，最后利用AutoCAD二維軟件對工程圖進行完善。然后通過ANSYS軟件進行有限元的校核。

1力學解算

六足行走機器人以機構設計和程序控制兩部分為主[2]。本設計主要對其進行機構設計。由于受外界環境中外力和地面障礙物的影響，使機器人的穩定性受到影響[3]。本設計中是通過三足支撐的，只要重心落在三角形范圍內就能保證其穩定。六足行走裝置主要由六條單足，兩個架體（上、下架體）和平衡機構組成。每條單足由基節、肱節、脛節三部分構成[4]。架體都是有45號20a型的工字鋼焊接而成的。平衡機構是由桿組構成的。每條腿均有三個自由度[5]。它解決了輪式和履帶式行走機構對復雜路面、非結構性環境通過性差等問題[6]。其原理簡圖如圖1所示。

圖1六足行走裝置原理簡圖

Fig.1 Schematic diagram of six legged walking device

考慮到架體距離地面的高度情況，將肱節的長度設計為1 000 mm，將脛節的長度設計為1 650 mm。

第1期楊衛杰等：聯合采伐機六足行走裝置單足力學解算與分析

森林工程第31卷

單足脛基是與地面直接接觸的部分，直接承受著地面對其的作用力。整個機器重2 t，采用的是三點支撐，故每個單足承受的力是20 000/3 N。單足脛基又是比較長的部分，屬于細長桿，故對其進行設計時需要考慮到壓桿穩定問題，然后在校核其應力、應變。

單足的力學模型如圖2和圖3所示。

圖2單足受力分析圖

Fig.2 Single foot force diagram圖3受力簡化圖

Fig.3 Simplified diagram of stress

對單足脛基的壓桿穩定問題考慮如下：

材料為45鋼，其E=200GPa，σp=280MPa，σs=350MPa，承受軸向壓力F=6.667kN。若nst=5，校核連桿的穩定性。

假定其為細長桿，則Fcr=π2EI（0.7l）2。

因為Fcr≥nst·F=5×6 670=33 350 N，所以Fcr=π2EI（0.7l）2≥33 350 NI≤2 256.16。

故取桿的截面幾何形狀為長方形，其中長為100 mm，寬為90 mm。

此時，壓桿在i最小的縱向平面內抗彎剛度最小，柔度最大，臨界應力將最小[7]。因而壓桿失穩一定發生在壓桿λmax的縱向平面內：

λmax=μlimin=0.7×1 6506.075×106=1.9×10-4。

而λp=πEσP=π200×109280×106=83.92；

λs=a-σsb=416-3502.568=43.2。

式中：λs為柔度下限值；λp為柔度上限值；a為工程材料參數；b為工程材料參數。

因為λmax<λs，此壓桿屬小柔度桿。

σcr=σs=350MPa。

Fcr=Aσcr=100×90×350N=315×104N=3 150kN。

n=FcrF=3 1506.67=472>nst。

所以此壓桿穩定。

單足肱節的壓桿穩定性校核如下：

λmax=μlimin=0.7×1 0005.468×106=1.28×10-4。

而λp=πEσP=π200×109280×106=83.92。

λs=a-σsb=416-3502.568=43.2。

因為λmax<λs，此壓桿屬小柔度桿。

σcr=σs=350MPa。

Fcr=Aσcr=90×90×350N=2 835×103N=2 835kN。

n=FcrF=2 8356.67=425>nst。

所以此壓桿穩定。

2建立模型

考慮到加工工藝和零件的特殊性，在保證總體尺寸的情況下將局部進行圓滑過渡和近似尺寸[8]，進行詳細設計得到工程圖如下圖4和圖5所示。

圖4單足肱節工程圖

Fig.4 Single foot humeral section drawings

圖5單足脛節工程圖

Fig.5 Single foot to tibia engineering drawings

利用UG進行三維建模。單足各部分三維建模如下圖6和圖7所示。

圖6單足肱節圖

Fig.6 Single foot humeral section diagram圖7單足脛節圖

Fig.7 Single foot to tibia diagram

3網格劃分

利用UG將文件生成實體模式，再將實體導入到ANSYS中，完成有限元中的三維建模。實體模型采用Solid185單元。它為三維八節點的實體。采用45號鋼[9]。材料的彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，密度為7 800 kg/m3 。在ANSYS中采用常用的自由劃分的方式進行網格劃分[10]。如圖8和圖9所示。圖8單足肱節網格劃分

Fig.8 Single foot humeral section mesh圖9單足脛節網格劃分

Fig.9 Single foot to tibia mesh

4有限元分析

該單足在行走過程中起到支撐穩定的作用，在六足每行走一次都有三個單足進行三角形支撐，只要重心落下次三角形內，該裝置將會保持穩定狀態。在瞬時穩定狀態下其中的肱節和脛節分別處于二力桿狀態且處于擠壓狀態。所以在施加載荷時對其兩端鉸接部分中的上部分施加向下的均勻面載荷，下部分施加向上的均勻面載荷。其值大小為20 000/3N。施加完載荷后，進行計算，計算完成后，在一般后處理中查看單足肱節和單足脛節的位移圖和應力圖。如圖10～圖13所示。

圖10單足肱節位移圖

Fig.10 Single foot humeral section displacement map圖11單足肱節應力圖

Fig.11 Single foot humeral section stress

圖12單足脛節位移圖

Fig.12 Single foot tibial displacement map圖13單足脛節應力圖

Fig.13 Single foot to tibia stress

5結論

本文通過簡化模型，利用ANSYS軟件進行有限元分析得到相應的位移云圖和應力云圖，進而校核其強度。通過觀察知道強度滿足要求。主要完成以下任務。

（1）結合國內外六足機器人發展狀態與林用采伐機工作環境，確定了六足行走裝置、升降機構、平衡機構組合的結構。

（2）進行了六足行走裝置的本體設計，升降機構設計，平衡機構組合的結構設計本。利用UG進行了三維建模，并生成了二維工程圖，利用CAD進行修改最終完成任務。

（3）對關鍵零件運用有限元技術進行了校核，結果強度符合使用需求。

【參考文獻】

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[3]柳天虹，姜樹海.仿生六足機器人穩定性分析與仿真[J].計算機仿真，2013，30（12）：360-364.

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[5]王倩.六足仿生機器人步態規劃與控制系統研制[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010.

[6]王怡民.對稱式仿生六足行走裝置.中國，CN 102267509 A[P]，2011-12-07.

[7]田玉梅，呂書青.材料力學[M].北京：科學出版社，2009.

[8]王啟平.機械制造工藝學[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2005.

[9]呂宏，王慧.機械設計[M].北京：北京大學出版社，2009.

[10]丁毓峰.ANSYS有限元分析完全手冊[M].北京：電子工業出版社，2011.

[責任編輯：李洋]