周永，王碩煜，陸志忠

基于HyperWorks的機械手主懸梁有限元分析及結構優(yōu)化

周永，王碩煜，陸志忠

（安徽馬鋼表面技術股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

基于HyperWorks對主懸梁進行了強度分析，依據(jù)計算結果，針對主懸梁材料冗余問題，進行了結構優(yōu)化設計，并對優(yōu)化方案進行了有限元強度分析，驗證了主懸梁結構優(yōu)化設計方案的有效性。

主懸梁；有限元分析；優(yōu)化設計；HyperWorks

機械手是能模仿人手的動作，在驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)配合下完成某些抓放、搬運物件或操持工具等工作的自動機 械化裝置，在機械加工生產中已廣泛應用于材料的搬運等 工作，能有效降低生產成本，改善工人勞動條件，提高生產效率[1]。

針對圓柱體類毛坯在環(huán)形加熱爐的自動上下料問題，設計了一種環(huán)形加熱爐裝出料機械手，采用三維設計軟件INVENTOR進行三維設計，并利用有限元分析軟件HyperWorks對機械手關鍵受力零部件進行有限元分析和 結構優(yōu)化設計，為機械手結構設計的可靠性和合理性提供依據(jù)。

1 有限元模型的建立

1.1 三維模型的建立

機械手機構主要是機械手臂，它控制機械手的伸縮運動和升降運動，所以為了方便分析，這里先不考慮機身的旋轉，把機身看作固定的，各部分結構簡化成基本桿件，得到機械手平面機構簡圖。由動力學仿真分析可知機械手運動過程中主懸梁受力最大，所以，對主懸梁進行有限元分析研究，利用三維建模軟件INVENTOR建立主懸梁三維模型。

1.2 網格劃分

在HyperWorks分析模塊中，分析計算的是有限元模型而不是幾何模型，所以需要對幾何模型進行網格劃分。有限元劃分就是將連續(xù)體進行離散化，利用簡化幾何單元來近似逼近連續(xù)體，然后根據(jù)變形協(xié)調條件綜合求解[2]。本文采用了自動劃分法，對主懸梁模型進行網格劃分，并在重要位置和計算數(shù)據(jù)變化梯度較大的部位（比如應力集中處）采用比較密集的網格。

1.3 材料參數(shù)設置

本文所研究的主懸梁材料為Q345-B，根據(jù)機械設計手冊，可以查得材料特性[3]彈性模量=2.14MPa，泊松比=0.33，密度=7.85 g/cm2，條件屈服極限0.2=345 MPa，強度極限b=500 MPa。

1.4 載荷及約束條件

主懸梁在C鉸鏈點支反力最大，C點受力最大時所處的位置是與水平成48°角。為了方便建立有限元模型，將主懸梁與水平軸成48°夾角放置分析，按HyperWorks中的坐標及方向，對主懸梁的D點處進行約束，使其=0、=0；對A點處進行約束，使其=0、=0。對C鉸鏈孔圓柱面上施加載荷，大小為x=﹣29 849 N，y=﹣9 426 N，如圖1所示。

圖1 主懸梁有限元模型

2 有限元計算及結果分析

在完成對主懸梁的加載約束、定義分析類型、分析選項等設置后，開始有限元求解。在評價強度分析計算結果時通常采用第四強度理論導出的等效應力v（又稱為Von Mises應力）來評價[4]，可以用式（1）表示，本文也將采用Von Mises應力作為強度評價的主要指標：

式（1）中：v為Von Mises應力；1、2、3為第一、第二、第三主應力。

為了保證構件安全工作并具有必要的強度儲備，通常把極限應力除以一個安全系數(shù)，并將結果作為構件的許用應力。機械手主懸梁工作條件近似起重機械的小車梁[5]，機械設計手冊[4]中規(guī)定，對于一般Q345-B材質的起重機械小車梁安全系數(shù)可取為3～4，出于安全考慮，本文選取安全系數(shù)為4，主懸梁材料的條件屈服極限0.2為345 MPa，則許用應力為：

由主懸梁的應力云圖可以看出，主懸梁的應力過渡平滑，未出現(xiàn)明顯的應力集中現(xiàn)象，主懸梁最大Von Mises應力為10.08 MPa，與材料的許用應力86.25 MPa相比還有一定富余，尤其從主懸梁的應力分布云圖中可以看出，主懸梁大部分區(qū)域為藍色，即應力極小，基本不起到承受載荷的作用，因此，可以認為主懸梁材料有較大冗余，有必要對其進行結構優(yōu)化設計。

3 主懸梁結構優(yōu)化設計

根據(jù)主懸梁應力分布云圖對其進行結構優(yōu)化設計，得到如圖2所示的新幾何結構，優(yōu)化設計方案主要在主懸梁中部方管4個面分別去除了部分材料，在區(qū)域A處減少了1塊筋板。采用四面體單元對主懸梁的優(yōu)化設計方案重新進行網格劃分，建立有限元模型。

圖2 主懸梁優(yōu)化設計方案

對優(yōu)化設計方案的有限元模型施加與優(yōu)化前相同的載荷工況和邊界條件，進行有限元強度分析，計算結果如圖3所示。

主懸梁優(yōu)化設計方案的最大應力為43.8 MPa，大于優(yōu)化前的10.08 MPa，結構強度有所降低，但最大應力仍低于主懸梁的許用應力86.25 MPa，可以滿足結構強度要求。主懸梁優(yōu)化改進方案質量為269 kg，優(yōu)化前結構質量311 kg，結構質量減輕了42 kg，占原方案的13.5%，減重效果顯著。

4 結論

本文在利用三維設計軟件INVENTOR建立環(huán)形加熱爐裝出料機械手主要受力部件主懸梁的三維模型基礎上，通過有限元分析軟件HyperWorks建立主懸梁運動過程中最大受力位置的有限元模型，并完成有限元分析，有限元計算結果表明主懸梁原設計方案的強度滿足使用要求。

圖3 主懸梁優(yōu)化設計方案應力云圖

針對主懸梁原設計方案存在較大材料冗余的情況，結合應力分布云圖對主懸梁進行結構優(yōu)化設計，并對改進方案進行了有限元分析，改進方案較原方案去除了13.5%的冗余材料，結構強度有所降低，但仍滿足結構強度要求。減少材料的使用量，可降低機械手懸臂質量，提高機械手整體穩(wěn)定性。

在產品設計開發(fā)過程中利用有限元軟件進行仿真計算和分析，可縮短新產品開發(fā)周期，降低設計開發(fā)成本，為產品結構設計的可靠性和合理性提供理論依據(jù)。

［1］王宇鋼，朱彥松.氣動搬運機械手設計及運動仿真研究［J］.現(xiàn)代制造技術與裝備，2018（7）：34-36.

［2］青秀文，趙東升.基于HyperMesh的三輪汽車長拐臂有限元分析［J］.農業(yè)裝備與車輛工程，2018，56（1）：92-94.

［3］成大先.機械設計手冊［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2016.

［4］聶毓琴，孟廣偉.材料力學［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

［5］李淑華，李樹森.橋式起重機橋架結構的ANSYS有限元分析［J］.林業(yè)機械與木工設備，2005，6（33）：28-30.

U415.5

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.18.009

2095－6835（2020）18－0024－02

〔編輯：張思楠〕