基于ANSYS的焊接机器人腰座有限元分析
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、l lI8 似基于ANSYS的焊接机器人腰座有限元分析FEM analysis of the welding robot waist based 0n the ANSYS李清伟LI Qing-wei(徐州工程学院 机电工程学院, 徐州 221008)摘 要:运用ANSYS有限元分析软件对焊接机器人腰座进行某~极限位置的静动态特性分析,得到腰座的应力变化规律,并对腰座进行模态分析,求得各阶固有频率和振型。结果表明:最大等效应力为34.7MPa,最大第一主应力为4 6.1 MPa,远小于材料屈服强度,腰座模态分析结果显示其双支撑架在各阶振型主要表现为弯曲和扭曲变形。分析结果对于避免应力集中和共振具有一定指导意义。
关键词:有限元;ANSYS;腰座;模态分析中图分类号 :TH1 32 文献标识码:ADoi:1 0.396cl/J.1ssn.1 009-01 34.201 3.1 O(上).1 90 引言焊接机器人的腰座是连接底座和大臂的重要组成部分,是影响焊接机器人整体性能的关键要素之一。对腰座进行强度、刚度和动态特性分析可以预测结构应力集中,避免在工作过程中发生共振。传统的力学方法进行计算,不但计算复杂而且计算精度较低,有限单元法进行结构强度和刚度分析既准确、可靠,又能得出构件在各种工况下的应力分布情况?。本文采用三维建模软件ProJE与有限元分析软件ANSYS对机器人腰座进行整体模型建立与静力学和模态分析,直观展现腰座的应力场和固有频率及振型啦l。
1 腰座静力学分析1.1有限元模型的建立对机械零部件进行有限元静态分析的主要 目的是对设计好的机械零部件在承受静态载荷时,校核其结构的强度、刚度是否符合要 。由于腰座结构较为复杂,本文采用Pro/E软件进行实体模型的建立,并在Pro/E中将该零件保存为IGES格式,再导入到ANSYS软件中,在三维建模过程中将一些不影响分析精度的特征和细节结构如:圆角、螺纹孔、很小的倒角等去除,节省计算资源。腰座材料为45钢,杨氏模量E=2.1×10uPa,密度P=7820kg/m ,泊松比P=0.28。选择Solid45单 元对腰座进行有限元 网格划分 ,主要 由于文章编号:1 009一Ol 34(201 3)1 0(上)-0066—02Solid45单元有8个节点,每个节点有3个沿xyz方向的平移 自由度,并且该单元有塑性、蠕变、应力刚化、大变形和大应变的性能 。由于腰座结构复杂,采用自由网格划分,划分完成的网格如图1所示,单元73849个,节点85436个。
图1 腰座有限元模型1.2载荷施加与求解本文考虑腰座所处工况之一:当大臂处于水平位置、前端装配体处于水平伸直状态时,腰座所处的工况最为恶劣。腰座水平放置在底座上,将与底座连接处的16个螺栓孔设为固定约束 。在ANSYS中不能直接施加弯矩载荷故将所求得力矩简化成一对力偶,通过预先创建关键点,将弯矩施加在关键点上,从而将弯矩施加到面上,详见文献【5]和【6]。通过Pro/E里面的质量属性测量功能,可以由质量得到重力及重心位置。经计算前收稿日期:2013-05-28基金项目:江苏省产学研联合创新基金一前瞻性研究资助项目 (BY201 1 123);江苏省科技型企业技术创新资金资助项目(BC201 1066)作者简介:李清伟 (1970一),男,江苏丰县人,副教授,硕士,主要从事机械设计理论及机器人方面的研究。
[661 第35卷 第10期 2013—10(上)
黪一图9阵列刻度线 图l0 刻度值字符串关系式的高度修改为3。因刻度值与刻度线相对应,仅在100倍数处显示刻度值,需要加入关系,关系函数如下:A=itos(sd0)if floor(sd0/10) 10==sd0A=itos(sd0 10)elsea=? ’endif修改sd0为10,即显示100ml处的刻度值100。
7)阵列刻度值将刻度值投影到量具的外表面上,将刻度值和投影后刻度值成组,使用尺寸整列命令将刻度值阵列,sd0为阵列尺寸的参考,数量为l0个,尺寸增量为1O。
3 结论在量具的设计过程中,使用Creo可快速求得图11 刻度线及刻度值完成量具容积,尤其是不规则量具的容积,使用行为建模方法可对容积进行优化,可获得最佳的量具尺寸,并使用最少的材料。使用Creo中的用户自定义分析特征 ,得到容积沿高度变化的图形函数,以扫描的方式将图形函数表现出来,使用关系式得到不均匀分布的刻度线,使用字符串关系式及字符串阵列的方法得到100倍数处的刻度值,投影到量具 曲面上,得到量具的刻度线和刻度值。
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●囊● ●■‘ ●矗‘ ●‘● 蠡‘ 蠡● 生● 蠡- 蠡I ●生● 矗‘ 童‘ 蠢● 童· 童‘ ●童‘ 蠡‘ 地 . 皇‘ 矗· 童● 出 ■k ●‘●【上接第67页】力集中部位,结果表明,腰座的强度能满足工作的要求。对腰座进行模态分析,由前四阶振动频率和振型知腰座的双支撑架在各阶的振型主要表现为弯曲和扭曲变形,该部位会影响腰座工作的稳定性和安全性。由于腰座的首阶固有频率较大故所设计的腰座显示出良好的刚度性能,能够满足实际工况对刚度的要求。
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