混凝土水力破拆机械臂有限元分析及结构优化.pdf
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1、混凝土水力破拆机械臂有限元分析及结构优化 F i ni t e e l em ent anal ysi s and s t r uct ur al opt i m i z at i on of concr et e h y dr aul i c di sm an t l i ng m ani pul at or 邓三鹏,彭见辉,祁字明,苗德华 DENG Sa n p e n g,PE NG J i a n h u i 。QI Yu mi n g ,MI AO De h u a ( 天津职业技术师范大学 机器人及智能装备研究所,天津 3 0 0 2 2 2 ) 摘 要:以混凝土水力破拆机械臂为研
2、究目标 ,运用S O L I D WO R K S 和A N S Y S WO R K B E N C H 对机械臂 进行有限元仿真分析,研究机械臂的振动特性,指出结构中薄弓 弓 部位,并提出优化方案,比 较优化前后应力、形变云图和模态振型图,结果表明 :机械臂的整体刚度、强度得到提高, 应力、形变明显降低,同时机械臂的一阶固有频率提高明显,有效避免了破拆作业中共振现 象的发生,同时模态分析结果为抑制机械臂振动提供了参考依据。 关键词:水力破拆;静力学分析;模态分析;结构优化 中囝分类号:T H 1 3 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 9 - 0 1 3 4 ( 2 0 1 5 ) 1
3、2 ( 上) - 0 0 6 1 0 3 Do l :1 0 3 9 6 9 J i s s n 1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 5 2 3 1 7 0 引言 1 有限元分析 混凝土水力破拆机器人 是用超 高压水射流破拆受 损混凝土 ,与传统机械式接触破拆相 比,具有安全、高 效、无污染、对钢筋无损害等优点,大大降低了工人劳 动强度 ,在公路、隧道 、桥梁 、大坝、港 口、矿 山等混 凝土维护工程中可广泛应用。美国、瑞典等国家水力破 拆机器人研制较早 ,现在 已广泛应用, 目前国内还是传 统的机械式破拆 ,但水力破拆是受损混凝土修复的发展 趋势 ,而国外产 品价格昂贵、维护不便
4、,因而研发国产 水力破拆机器人有重要工程意义。 机械臂是混凝土水力破拆机器人的执行机构,对结 构的刚度、强度要求较高【 l 】 。运用A N S Y S Wo r k b e n c h 建 立机械臂有限元模型,通过静力学和模态分析 ,指出结 构设计中薄弱部位并加以优化 ,分析流程如图1 所示。 J 7 竺 竺 优化 一 l 塑 圣 图1 机械臂分析流程 收稿日l 基金项目 作者简介 2 0l 5 0 7 1 1 国家科技支撑计划课题 ( 1 5 B A K 0 6 B 0 4 ); 1 1建立有限元模型 按等效刚度原则 ,简化机械臂结构。将销轴、螺栓 连接简化为面接触 ;忽略螺纹和无应力集中
5、的圆角、倒 角 ;删除次要的孔、台,等效分配其质量;忽略液压 马 达 、液压缸及液压管路,等效其配重。机械臂各关节至 最大位置,在 自重、负载作用下,所受载荷最大 ,是机 械臂的极限工况,如图2 所示 。 图2 极限工况网格划分 邓三鹏 ( 1 9 7 8一),男,副教授,工学博士,研究方向为特种机器人系统及应用。 第3 7 卷第1 2 期2 0 1 5 -1 2 ( 上) ! 6 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图1 0 Ma
6、 r k e r l l 5 和1 6 7 点的速度 型中B 端 的速度变化曲线基本贴合,表 明柔性体的变形 对该铰接处速度变化的影响较为轻微,基本可以忽略。 4 结论 本文通过对粗纤维打捆机喂入压缩机构 的多刚体 模 型和 刚柔混 合模 型进行动态仿真 分析 ,得 出以下结 论 :1 )两种模型中的位移 曲线变化规律相似 ,但 由于 柔性体在运动过程 中会产生定的变形,从而使刚柔耦 合模型中的位移值大于多刚体模型中的位移值;2 )曲 柄与连杆铰接处力 的变化周期约为0 6 5 s 。在刚柔耦合 模型中,铰接处的力瞬间从O 升至1 7 5 N,并存在振荡, 持续时间约为0 0 2 2 s ,连
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