基于HyperWorks的機械手主懸梁有限元分析及結構優化

周永，王碩煜，陸志忠

基于HyperWorks的機械手主懸梁有限元分析及結構優化

周永，王碩煜，陸志忠

（安徽馬鋼表面技術股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

基于HyperWorks對主懸梁進行了強度分析，依據計算結果，針對主懸梁材料冗余問題，進行了結構優化設計，并對優化方案進行了有限元強度分析，驗證了主懸梁結構優化設計方案的有效性。

主懸梁；有限元分析；優化設計；HyperWorks

機械手是能模仿人手的動作，在驅動系統和控制系統配合下完成某些抓放、搬運物件或操持工具等工作的自動機 械化裝置，在機械加工生產中已廣泛應用于材料的搬運等 工作，能有效降低生產成本，改善工人勞動條件，提高生產效率[1]。

針對圓柱體類毛坯在環形加熱爐的自動上下料問題，設計了一種環形加熱爐裝出料機械手，采用三維設計軟件INVENTOR進行三維設計，并利用有限元分析軟件HyperWorks對機械手關鍵受力零部件進行有限元分析和 結構優化設計，為機械手結構設計的可靠性和合理性提供依據。

1 有限元模型的建立

1.1 三維模型的建立

機械手機構主要是機械手臂，它控制機械手的伸縮運動和升降運動，所以為了方便分析，這里先不考慮機身的旋轉，把機身看作固定的，各部分結構簡化成基本桿件，得到機械手平面機構簡圖。由動力學仿真分析可知機械手運動過程中主懸梁受力最大，所以，對主懸梁進行有限元分析研究，利用三維建模軟件INVENTOR建立主懸梁三維模型。

1.2 網格劃分

在HyperWorks分析模塊中，分析計算的是有限元模型而不是幾何模型，所以需要對幾何模型進行網格劃分。有限元劃分就是將連續體進行離散化，利用簡化幾何單元來近似逼近連續體，然后根據變形協調條件綜合求解[2]。本文采用了自動劃分法，對主懸梁模型進行網格劃分，并在重要位置和計算數據變化梯度較大的部位（比如應力集中處）采用比較密集的網格。

1.3 材料參數設置

本文所研究的主懸梁材料為Q345-B，根據機械設計手冊，可以查得材料特性[3]彈性模量=2.14MPa，泊松比=0.33，密度=7.85 g/cm2，條件屈服極限0.2=345 MPa，強度極限b=500 MPa。

1.4 載荷及約束條件

主懸梁在C鉸鏈點支反力最大，C點受力最大時所處的位置是與水平成48°角。為了方便建立有限元模型，將主懸梁與水平軸成48°夾角放置分析，按HyperWorks中的坐標及方向，對主懸梁的D點處進行約束，使其=0、=0；對A點處進行約束，使其=0、=0。對C鉸鏈孔圓柱面上施加載荷，大小為x=﹣29 849 N，y=﹣9 426 N，如圖1所示。

圖1 主懸梁有限元模型

2 有限元計算及結果分析

在完成對主懸梁的加載約束、定義分析類型、分析選項等設置后，開始有限元求解。在評價強度分析計算結果時通常采用第四強度理論導出的等效應力v（又稱為Von Mises應力）來評價[4]，可以用式（1）表示，本文也將采用Von Mises應力作為強度評價的主要指標：

式（1）中：v為Von Mises應力；1、2、3為第一、第二、第三主應力。

為了保證構件安全工作并具有必要的強度儲備，通常把極限應力除以一個安全系數，并將結果作為構件的許用應力。機械手主懸梁工作條件近似起重機械的小車梁[5]，機械設計手冊[4]中規定，對于一般Q345-B材質的起重機械小車梁安全系數可取為3～4，出于安全考慮，本文選取安全系數為4，主懸梁材料的條件屈服極限0.2為345 MPa，則許用應力為：

由主懸梁的應力云圖可以看出，主懸梁的應力過渡平滑，未出現明顯的應力集中現象，主懸梁最大Von Mises應力為10.08 MPa，與材料的許用應力86.25 MPa相比還有一定富余，尤其從主懸梁的應力分布云圖中可以看出，主懸梁大部分區域為藍色，即應力極小，基本不起到承受載荷的作用，因此，可以認為主懸梁材料有較大冗余，有必要對其進行結構優化設計。

3 主懸梁結構優化設計

根據主懸梁應力分布云圖對其進行結構優化設計，得到如圖2所示的新幾何結構，優化設計方案主要在主懸梁中部方管4個面分別去除了部分材料，在區域A處減少了1塊筋板。采用四面體單元對主懸梁的優化設計方案重新進行網格劃分，建立有限元模型。

圖2 主懸梁優化設計方案

對優化設計方案的有限元模型施加與優化前相同的載荷工況和邊界條件，進行有限元強度分析，計算結果如圖3所示。

主懸梁優化設計方案的最大應力為43.8 MPa，大于優化前的10.08 MPa，結構強度有所降低，但最大應力仍低于主懸梁的許用應力86.25 MPa，可以滿足結構強度要求。主懸梁優化改進方案質量為269 kg，優化前結構質量311 kg，結構質量減輕了42 kg，占原方案的13.5%，減重效果顯著。

4 結論

本文在利用三維設計軟件INVENTOR建立環形加熱爐裝出料機械手主要受力部件主懸梁的三維模型基礎上，通過有限元分析軟件HyperWorks建立主懸梁運動過程中最大受力位置的有限元模型，并完成有限元分析，有限元計算結果表明主懸梁原設計方案的強度滿足使用要求。

圖3 主懸梁優化設計方案應力云圖

針對主懸梁原設計方案存在較大材料冗余的情況，結合應力分布云圖對主懸梁進行結構優化設計，并對改進方案進行了有限元分析，改進方案較原方案去除了13.5%的冗余材料，結構強度有所降低，但仍滿足結構強度要求。減少材料的使用量，可降低機械手懸臂質量，提高機械手整體穩定性。

在產品設計開發過程中利用有限元軟件進行仿真計算和分析，可縮短新產品開發周期，降低設計開發成本，為產品結構設計的可靠性和合理性提供理論依據。

［1］王宇鋼，朱彥松.氣動搬運機械手設計及運動仿真研究［J］.現代制造技術與裝備，2018（7）：34-36.

［2］青秀文，趙東升.基于HyperMesh的三輪汽車長拐臂有限元分析［J］.農業裝備與車輛工程，2018，56（1）：92-94.

［3］成大先.機械設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，2016.

［4］聶毓琴，孟廣偉.材料力學［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［5］李淑華，李樹森.橋式起重機橋架結構的ANSYS有限元分析［J］.林業機械與木工設備，2005，6（33）：28-30.

U415.5

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.18.009

2095－6835（2020）18－0024－02

〔編輯：張思楠〕