混凝土水力破拆机械臂有限元分析及结构优化

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1、学兔兔www.xuetutu.com混凝土水力破拆机械臂有限元分析及结构优化Finiteelementanalysisandstructuraloptimizationofconcretehydraulicdismantlingmanipulator．邓三鹏，彭见辉，祁字明，苗德华DENGSan—peng，PENGJian—hui。QIYu—ming，MIAODe．hua(天津职业技术师范大学机器人及智能装备研究所，天津300222)摘要：以混凝土水力破拆机械臂为研究目标，运用SOLIDWORKS和ANSYSWORKBENCH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

2、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：TH13文献标识码：A文章编号：1009-0134(2015)12(上)-0061—03Dol：10．3969／J．issn．1009-0134．2015．23．17．0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1．1建立有限元模型损混凝土，与传统机械式接触破拆相比，具有安全、高按等

3、效刚度原则，简化机械臂结构。将销轴、螺栓效、无污染、对钢筋无损害等优点，大大降低了工人劳连接简化为面接触；忽略螺纹和无应力集中的圆角、倒动强度，在公路、隧道、桥梁、大坝、港口、矿山等混角；删除次要的孔、台，等效分配其质量；忽略液压马凝土维护工程中可广泛应用。美国、瑞典等国家水力破达、液压缸及液压管路，等效其配重。机械臂各关节至拆机器人研制较早，现在已广泛应用，目前国内还是传最大位置，在自重、负载作用下，所受载荷最大，是机统的机械式破拆，但水力破拆是受损混凝土修复的发展械臂的极限工况，如图2所示。趋势，而国外产品价格昂贵、维护不便，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

4、机器人的执行机构，对结构的刚度、强度要求较高【l】。运用ANSYSWorkbench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。J7竺竺优化一l塑圣图1机械臂分析流程图2极限工况网格划分收稿日l20l5—07—11基金项目国家科技支撑计划课题(~15BAK06B04)；作者简介邓三鹏(1978一)，男，副教授，工学博士，研究方向为特种机器人系统及应用。第37卷第12期2015-12(上)!'611学兔兔www.xuetutu.com学兔兔www.xuetutu.com学兔兔www.xuetutu.com参考文献：【1]洪嘉振，刘铸永．冈4柔

5、耦合动力学的建模方法[J】．上海交通大学学报，2008，11：1922—1926．【2]赵丽娟，马永志．刚柔耦合系统建模与仿真关键技术研究【J】．计算机工程与应用，2010，02：243—248．【3]石珍强，徐培民．ADAMS[~I]柔耦合多体系统动力学建模【J】．安徽工业大学学报(自然科学版)，2007，01：43—45．【4】刘锦阳，洪嘉振．柔性体的刚．柔耦合动力学分析[J】．固体力学学图10Markerll5和167点的速度报．2002，02：159·166．【5]王晓辉．基于刚柔耦合模型的圆柱分度凸轮机构动力学分析型中B端的速度变化曲线基本贴合，表明柔性体的变形fD1．延边大学，20

6、12．对该铰接处速度变化的影响较为轻微，基本可以忽略。f61高立新，胡延平，吴红艳．基于ADAMS的刚柔耦合汽车悬架性能分析fJ】．合肥工业大学学报(自然科学版)'2009，06：814—817．4结论【7】范久臣，杨兆军，刘长亮，王继新，丁树伟，施宗成．鼓式制动器刚柔本文通过对粗纤维打捆机喂入压缩机构的多刚体耦合虚拟样机[J]．吉林大学学报(工学版)12009，Sl：183—187．模型和刚柔混合模型进行动态仿真分析，得出以下结【8]余纪邦．刚柔耦合多体系统动力学建模和仿真【D】．南京理工大学，2005．论：1)两种模型中的位移曲线变化规律相似，但由于[9】韩东，高正，王浩文，张虹秋．直升机

7、桨叶刚柔耦合特性及计算方柔性体在运动过程中会产生～定的变形，从而使刚柔耦法分析【J]．航空动力学报，2006，01：36．4o．合模型中的位移值大于多刚体模型中的位移值；2)曲【l0】张祥杰．450吨钳夹车刚柔耦合动态仿真分析【D】．大连交通大柄与连杆铰接处力的变化周期约为0．65s。在刚柔耦合学．2010．模型中，铰接处的力瞬间从O升至175N，并存在振荡，【11】李海方．起重机臂架系统刚柔耦合