路灯车机械臂有限元方法与CAE技术

       路灯车机械臂有限元方法与CAE技术,  高明路灯车出租, 三水路灯车出租, 顺德路灯车出租,  有限单元法是工程领域分析中应用较为广泛的一种数值求解方式，同时属于目前产品与框架处理比较核心的一种手段，其核心理念是把持续的物理模型区别成一定量的单元，以此为前提完成有限节点之间的结合，接着确定所有单元中比较凸出的功能，对单元数目进行仿真，例如单位活动，同时根据方程的说明形成元素节点均衡公式，接着把将全部单元对应的公式融合成系统综合需要的代数方程，接着增加边界环境计算这一综合方程，从而确定数值结果，比如框架的位移情况与应力情况79。采取这种方法进行产品与框架的处理，属于CAE最为明显的一个特征，采用CAE技术化的设计流程图。不难发现，无论是产品初期设计还是最终的样机检验，有限元模拟这一方式均能够起到十分很重要的作用，在产品规划与实现整个流程中扮演着极其重要的角色，使早期的产品处理各个流程得到了协调统一，同时调整周期演变可以实现准确的研究验证以及完善所有环节处理过程，从而控制设计期间可能出现的漏洞与弊端，借此保证成品的稳定性，进一步节省时间，强化效率。随着CAE技术的快速发展，各种工程软件也得到了广泛的应用，ANSYS软件凭借其多物理场耦合分析功能，成为一个主流的应用CAE软件，在工程分析领域得到了非常广泛的运用。由于机械臂所有核心组件外形上并不规则，仅仅采取一般的操作模式无法得到准确的数字。而有限元分析程序ANSYS非线性计算结果十分合理，能够满足各种框架活动与应力需求，所以本文借助ANSYS实现数值运算。

     机械臂杆的强度校核路灯车机械臂杆能否正常活动取决于大臂、小臂的稳定性。两者受力情况代表了机械臂的活动效果。所以我们需要完成以上两个臂杆的静力学研究，最终确定稳定受力时应力与应变云图，借此使机械框架的处理符合科学性原则。

     AnsysWorkbench实施静力学研究的具体流程是：“构筑模型→设置材料参数→网格划分→配置载荷与限制条件→有限元分析→计算出数值解与云图→对比分析→确认设计有无差错”。处理稳定形态时，同样可以完成参数优化计算。虽然ANSYS的三维建模功能近年来有了很大的增强，但是对比专业的三维建模软件Solidwork来说还有着很大的差距，本文直接将Solidworks建立的三维实体模型直接导入到ANSYS中，利用ANSYS强大的CAE功能进行静力学分析。

   网格的划分网格划分作为分析阶段比较重要的一个环节，网格划分结果的优劣性决定着最终分析结果的准确性。ANSYS内部网格划分的模式并不单一，主要有自由、映射、与体扫掠三种划分模式。自由网格无须考虑单元的形态，同时也不存在明确的要求。所以，这种模式作为现阶段比较流行的模式，效果十分明显。本文选择该模式完成机械手臂杆的相关处理。

   臂杆的受力分析: 机械臂杆所用材料为6061铝合金：机械手臂有两个工作极限状态，即水平位置时和竖直位置时，经过ANSYS的计算处42理后，臂杆的的应力应变情况： 臂杆在竖直位置时最大应变为8.5284*10-6mm，水平位置时最大应变为3.267*10-4mm，臂杆在竖直位置时最大应力为6.0431*105Pa，在水平位置最大应力为2.2832*107Pa。可得臂杆在水平和竖直两个位置的应力、应变云图来看，正常工作状态下臂杆在两个极限位置时的应力、应变均在符合要求的范围内。443.3关节模块强度校核关节模块中蜗轮蜗杆副负责动力的传动，要受到比较大的扭矩，蜗轮蜗杆副的强度直接影响到整个机械臂系统的稳定性和寿命，因此我们非常有必要对关节模块中的蜗轮蜗杆副进行静力学分析。

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    分析模型建立同上，我们首先通过Solidworks建立蜗轮蜗杆的三维模型： 蜗轮蜗杆三维模型蜗轮蜗杆的部分参数： 蜗轮蜗杆参数名称涡轮蜗杆模数1.25, 头数/齿数501, 中心距41.25mm, 导程角3°34＇35〃, 齿顶高系数1, 齿形角20°, 齿顶高直径67.5mm22.5mm, 分度圆直径62.5mm20mm, 齿根圆直径59.5mm17mm, 实体建模完成后，将Solidworks中的模型保存为.sat文件，通过ANSYS提供的和45CAD软件之间的接口截面可以将在Solidworks中建立的实体模型导入到ANSYS中。

    定义材料属性并划分网格首先对蜗轮蜗杆进行定义材料属性，蜗轮蜗杆所选材料及材料的部分力学性能：将三维实体导入Ansysworkbench的仿真界面之后，系统会自动识别出蜗轮蜗杆在啮合位置处的接触面，此时需要通过目标单元和接触单元来定义一个刚体—柔体型面面结合。对于刚柔接触模型而言，通常会将刚性面定义为目标面，柔性面定义为接触面。对于蜗轮蜗杆传动的接触分析，由于蜗杆轮齿的表面刚度比蜗轮轮齿的表面刚度要大，因此，设置蜗杆轮齿面为目标面，蜗轮轮齿面为接触面，采取非对称处理方式，摩擦系数是0.3。在网格划分方面，因为本文的分析对象蜗轮蜗杆齿面为不规则的空间曲面，特别是蜗轮齿轮面形状比较复杂，很难使用其它类型的网格划分，所以这里依然选取自由网格的划分方式。但因为之间有个摩擦接触，因此需要在网格插入一个局部控制的接触尺寸，在蜗轮蜗杆轮齿的啮合处划分较细的网格，使分析结果更加精确，网格划分后如图3.8所示：图3.8网格划分463.3.3施加载荷、结果分析显然，在整个机械臂系统中大臂旋转处所受的扭矩达到最大值，此处，我们将大臂关节处所受的扭矩输入分析系统中。在之前的章节中已经对蜗轮蜗杆副承受的扭矩进行了一定的分析，蜗杆承受的扭矩为：85.21.704(.)50TMNmn（3.1）因此，在蜗轮的中心位置提供“fixedsupport”（固定约束），在蜗杆中心施加“cylindricalsupport”（圆柱约束），把“tangential”（相切）确定成“freed”（自由），而剩下的端轴端外圆处提供一个位移约束，使X、Y、Z轴方向的位移为0，约束蜗杆的位移，在蜗杆轴上施加数值为1.704N.m的扭矩。Ansysworkbench计算结果, 最大应力发生在蜗轮上，其值为42.395MPa，蜗轮的材料为铝青铜，屈服极限为310~370MPa之间，可得就蜗轮蜗杆的应力云图来看，正常工作状态下蜗轮蜗杆工作时的应力在符合要求的范围内。3.4模块连接处强度校核本课题对于各个模块之间的连接采用螺纹连接，螺钉的强度直接关系到整个机械臂系统是否能稳定、可靠的工作，因此非常有必要针对模块之间的连接处的螺纹连接进行强度校核。

      很显然，在大臂旋转的部分，螺纹连接受力最大，因此我们只校核此处的螺纹连接强度，同样的，我们首先通过Solidworks建立螺钉组的三维模型，为了节约计算成本，本次建立分析三维模型需要进行一定的简化：定义材料属性并划分网格关节连接处的材料依然选用6061铝合金。48将上述建立的三维模型导入到Ansysworkbench仿真环境后，螺钉组会自动生成接触对，此处需要将接触进行修改，设定螺钉与关节实体之间采用刚体—柔体式面面接触，根据刚度原则，设定螺钉为目标体，关节模型为接触体，采取“NoSeparation”（不分离）的接触方式。在网格划分方面，依然选用自动网格划分的方式。 施加载荷、结果分析在之前的章节中已经对大臂关节处承受的扭矩进行了一定的分析，为85.2N.m。将关节实体一端固定，一段施加扭矩，Ansysworkbench计算结果，关节连接处发生的最大应变为1.458×10-3mm，发生的最大应力值为153.64Mpa，发生在螺钉上，此时螺钉主要受到剪力的作用，查阅资料可知，8.8级的M5螺钉的剪切许用应力为384MPa，可得就关节连接处的应力、应变云图来看，正常工作状态下关节工作的应力、应变均在符合要求的范围内。以机械臂为研究对象，利用有限元分析方法，借助CAE软件Ansys对机械臂各个受力关键零部件进行强度校核，得出了分析对象的应力、应变云图，确保机械臂能正常、稳定的工作。http://www.guangzhouyuntichechuzu.com/

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