基于Workbench的某軌道機器人主體關鍵零部件的輕量化設計

張鵬程，張洪麗，趙金洋

（山東交通學院山東省交通建設與安全技術工程實驗室，濟南 250357）

0 引言

隨著科學技術的發展，當前機器人朝著智能化、復合化、集成化、多樣化的方向發展，即基于機器人應用的深化，在種類和功能上越來越多樣、豐富。現在普遍研究的軌道機器人和市面上所售賣的軌道機器人，整體質量大多為20 kg以上，20 kg以下的輕型巡檢機器人較為少見。機器人小型化也是重要的發展趨勢，基于此對軌道機器人主體進行輕量化設計，以滿足輕巧、小型化的要求，符合現實需求。軌道機器人主體的關鍵零部件的結構設計直接影響軌道機器人結構的剛度、固有頻率等性能指標。軌道機器人工作時勻速前進，因此其主體被看作承受靜載荷。通過分析軌道機器人主體受力情況，對其結構進行優化設計，在保證運行平穩的基礎上，減輕其質量，對軌道機器人結構本身的性能和設計制造具有重要的意義[1-3]。

1 機器人結構輕量化設計流程

使用SolidWorks進行軌道機器人的主體設計，通過Workbench有限元分析軟件對龍骨結構進行優化設計，重點對關鍵受力點、應力應變、質量、模態進行研究分析，得出比現有的設計方案更為輕巧、合理的結構模型。機器人結構輕量化設計分析總流程及尺寸優化詳細流程、結構優化詳細流程如圖1所示。

圖1 關鍵零部件輕量化設計流程圖

2 機器人主體的結構分析

軌道機器人的主體部分結構如圖2所示。龍骨機械結構通過與外殼的連接來提供支撐，內部安置水平驅動機構，并在下方掛載升降機構。機器人通過4個運動輪與導軌接觸，運動輪承擔整體重力，因此對驅動輪的支撐軸承和傳動軸的強度有較高的要求。為了確保龍骨結構設計方案的可行性，進行靜力學仿真分析。通過靜力學仿真，模擬機器人在工作過程中所受到的力和應力分布情況。根據仿真結果，進行結構強度裕量的計算和分析，以評估結構的穩定性和強度。根據強度裕量的計算結果，可以對龍骨主體結構進行輕量化設計，以減少結構的質量，同時保持足夠的強度和穩定性。軌道機器人的主體結構設計和輕量化對于確保機器人的性能和可靠性至關重要。通過合理的設計和優化，可以提高機器人的運行效率、負載能力，并降低材料成本，這有助于提升軌道機器人的應用價值和競爭力。

3 龍骨機械機構初始強度分析

龍骨機械結構包括底板、2個橫梁和龍骨。龍骨主要采用屈服強度為235 MPa 的優質碳鋼材料制造。如圖3所示，在底部施加一個-Y方向的1000 N的拉力。為了簡化SolidWorks中的建模工作量，可以簡化或省略對計算結果影響不大的特征。這些特征包括附件、緊固件、小零件、倒角、圓角、小孔和螺紋孔等，在結構分析中可以視為對結果無重要影響的細節。簡化后的結構模型如圖3所示。

圖3 龍骨結構受力示意圖

使用Workbench可以對該結構進行全面的形變和等效應力分析。在分析中，可以合理地假設結構的載荷均勻分布在龍骨下方的8個連接點上，而在龍骨上方的連接點上施加圓柱形支撐。該分析將為龍骨結構的整體形變和等效應力分布提供有價值的信息。總形變可以反映在受載情況下結構的整體變形，而等效應力可以反映結構內部的應力分布情況。分析結果可以用于評估龍骨結構的強度和穩定性，并為進一步的設計優化提供指導。

這樣的分析有助于了解龍骨結構在受載條件下的性能，并幫助改進結構設計。通過優化，可以提高結構的強度和穩定性，確保其能夠承受實際工作條件下的負載要求。

在綜合考慮結構輕量化和經濟性的基礎上，選用鋁合金6063，其泊松比為0.33，密度為2.69 g/cm3，屈服強度為205 MPa，極限抗拉強度為124 MPa，彈性模量為68.9 GPa。利用該材料進行設計，龍骨結構的質量為2.39 kg，再運用Workbench對該結構進行力學分析，得到的最大形變量符合該結構的運轉要求，所以在材料選取方面可以選取鋁合金6063作為本次優化的主體材料[4]。

將建立好的龍骨主體結構導入Workbench中，選取Static Structural模塊，進行相關參數的設定，自定義材料為6063鋁合金，相關材料參數設定：泊松比為0.33，密度為2.69 g/cm3，屈服強度為205 MPa，彈性模量為68.9 GPa，單元格大小設置為5 mm，對上方兩側8個螺栓孔施加圓柱形支撐進行約束，在龍骨主體底板8個螺栓孔處施加合力大小為1000 N的力，方向沿Y軸負方向，在上方4個與軸配合的孔處施加4個圓柱形支撐約束，分析后得到龍骨結構的總形變云圖和等效應力云圖，如圖4、圖5所示。

圖4 龍骨結構總形變圖

圖5 龍骨主體等效應力云圖

龍骨最大形變量為0.03 mm，最大等效應力為3.27 MPa，滿足該結構在軌道機器人運行過程中的強度要求。

4 龍骨多目標尺寸優化

4.1 設計變量的選擇

通過對龍骨結構的質量、強度、剛度影響因素的分析，將龍骨結構分別設定幾個變量：龍骨結構底板厚度P1，龍骨夾板寬度P2，龍骨夾板長度P3，龍骨夾板厚度P4。

P1、P2、P3、P4會對龍骨結構的強度和質量等方面產生影響，對設計變量進行參數化處理。

4.2 目標函數的設定

運用響應面分析，在Static Structural 模塊中的DesignModeler繪圖軟件中將目標尺寸優化的輸出函數定為質量、最大總應變和最大等效應力，對其進行參數化定義并約束條件：P6為質量最小值；總應變P7≤0.1 mm；最大等效應力P8≤124 MPa。

4.3 優化結果分析

根據給出的設計變量和目標函數的約束條件，Response Surface模塊建立出25個設計點，并且在其中找出最優設計點10，如圖6所示。

表1 設計變量的變化范圍

圖6 設計點分布

優化后取值：P1取10 mm，P2取50 mm，P取110 mm，P4取8 mm，將P1、P2、P3、P4數據代入原模型，改變原模型的尺寸并進行靜力學分析，龍骨結構的質量降低為2.33 kg，最大總變形保持0.03 mm，最大應力變為3.34 MPa[1]。P1龍骨結構底板厚度對等效應力的影響如圖7所示。

圖7 龍骨結構底板厚度P1對最大等效應力的影響

龍骨夾板長度P3對等效應力的影響如圖8所示。

圖8 龍骨夾板長度P3對最大等效應力的影響

為更加全面地了解設計變量龍骨結構底板厚度P1、龍骨夾板寬度P2、龍骨夾板長度P3、龍骨夾板厚度P4與龍骨的質量、總形變量和等效應力之間的關系，找到對龍骨強度影響最關鍵的因素[5]，對P1、P2、P3、P4的靈敏度進行分析，如圖9所示。

分析全局靈敏度可知，設計變量龍骨結構底板厚度P1、龍骨夾板長度P3、龍骨夾板厚度P4對質量、總形變量和等效應力的影響顯著，其中龍骨夾板長度P3對總形變和等效應力的影響最為顯著，龍骨夾板寬度P2在等效應力和總形變方面對龍骨結構幾乎沒有影響[6-8]。

5 結構優化設計

結構優化的目的是在不改變材質的基礎上對龍骨主體結構進行合理設計，以減輕龍骨主體的整體質量，運 用Workbench 中 的Static Structural 模 塊 和Topology Optimization模塊進行聯合仿真，在滿足其強度需求的條件下，將目標龍骨主體結構中不需要受力的部分和受力較輕的結構去除，其主要步驟如下：1）指定龍骨結構的龍骨主體作為優化主體；2）優化參數設置，設置優化目標質量為70%；3）對優化后模型進行重新建模，優化后的設計空間，使用手動包覆來對模型進行最初的重構[1]；4）針對重新建模部分再次進行靜力學分析，得出優化結論。

拓撲優化的主要流程為：1）模型的創建。使用SolidWorks創建龍骨的三維模型，并進行基本的運動仿真，驗證其結構的完整性并確保無干擾。2）將模型導入ANSYS Workbench仿真分析軟件。設置材料參數，生成網格，應用外部負載，并定義固定支撐。進行靜力結構分析，得到總變形圖和應力分布圖。3）選擇拓撲優化區域。根據實際需求和優化目標，選擇設計區域拓撲結構和排除區域。4）定義優化響應和約束。根據優化目標和材料特性添加約束。5）重新進行模型創建。根據拓撲模型和實際設計要求，對原始龍骨模型進行重新建模，對龍骨結構中不受力或受力較少的部分進行合理去除。6）驗證分析。將修改后的模型導入ANSYS Workbench進行靜力結構分析。如果沒有達到優化目標，進行重新分析和必要的修改[9]。

在Topology Optimization中將龍骨的主體結構設置為優化區域，并將響應約束設置為原質量的70%。優化效果如圖10所示。

圖10 拓撲優化效果圖

圖11 設計點分布

6 龍骨多目標結構優化

6.1 設計變量的選擇

通過分析拓撲優化后的效果圖，除去龍骨夾板的多余材料，重新定義P5、P6為龍骨夾板兩側的切除深度，對龍

骨進行結構優化，設計變量參數化后的范圍如表2所示[1]。

表2 設計變量的變化范圍

6.2 目標函數的設置

運用響應面分析，在Static Structural 模塊中的DesignModeler繪圖軟件中將目標尺寸優化的輸出函數定為質量、最大總應變和最大等效應力，其進行參數化定義并重新定義約束條件：P7為質量最小值；總應變P8≤0.1 mm；最大等效應力P9≤124 MPa。

6.3 優化結果分析

Response Surface根據龍骨結構的優化目標和設置的約束條件將設計點分為了9組，夾板兩側去除深度P5、P6對最大等效應力的影響如圖12、圖13所示。

圖12 切除深度P5對最大等效應力的影響

圖13 切除深度P6對最大等效應力的影響

圖14 拓撲優化后建模圖

通過Response Surface推導各組數據，最終取值P5=5.5 mm；P6=5.5 mm。

對優化后的模型進行網格劃分，采用自動網格劃分方法，將龍骨主體結構的尺寸定義為5 mm，網格收斂，劃分后節點總數為25 984個，單元總數為12 799個，此時模型質量為1.71 kg[10]。

針對該結構進行總形變和等效應力分析后，得出該結構此時的最大形變量為0.03 mm，最大等效應力為3.12 MPa，該數據滿足軌道機器人在軌運行的強度要求。優化后總形變圖和等效應力云圖如圖15、圖16所示。

圖15 優化后結構總形變圖

圖16 優化后結構等效應力云圖

由表3可知，在保證最大形變量不變的基礎上，對龍骨模型進行尺寸優化、結構優化，結構優化后模型比初始模型的質量減少0.67 kg，最大等效應力降低為3.12 MPa，整體質量減輕了28.15%，龍骨故結構整體強度提升4.6%，實現了龍骨結構的輕量化設計。

表3 優化前后結果分析

7 結論

通過對龍骨主體結構的拓撲優化，實現了龍骨結構主體的輕量化設計要求。借助先進的技術手段，對主體結構進行有目標的優化，既能節省材料，又能提升產品的設計質量和產品性能，節省不必要的開支。通過設計不同的尺寸、結構，可降低該關鍵零部件的總體質量，降低最大等效應力，提升結構強度，同時避免應力集中現象的出現。在滿足運行強度要求的同時，降低了零部件的總體質量，最終優化出結構的總體模型。通過驗證分析得出，該結構模型完全滿足軌道機器人在運行過程中的強度要求，達到了輕量化設計的目的。

輕量化設計之后，該結構的質量為1.71 kg，與初始模型的質量2.38 kg相比，在滿足運行強度要求的同時，該關鍵零部件在結構質量方面減少了0.67 kg，整體質量減輕了28.15%。