基于SolidWorksSimulation的重载机械手主梁有限元分析

2013-12-23 04:01陆宗学崔世义刘勇姚贵昌

机械工程师 2013年11期

陆宗学，崔世义，刘勇，姚贵昌

（连云港杰瑞模具技术有限公司，江苏连云港222006）

1 引言

重载机械手是主要用于各种较重物料的取件、搬运、自动码堆、机床上下料，板材上下料等自动化机械中，目前国内的机械手主要以注塑机械手为主，重载机械手较少，完全满足不了市场对重载机械手的需求，因此研制重载机械手是非常必要的，研制中对主梁的强度和刚度进行校核特别重要，是必不可少的环节。

2 主要承载梁有限元模型的建立

如图1 所示，重载机械手X 主梁和Y 主梁为主要承载梁，需要对这两个梁进行强度和刚度校核，从结构中可以看出，X 主梁不是简支梁或悬臂梁受力方式，可以近似看作两端固定梁，但是会忽略支撑立柱的变形，Y 主梁可以看作是简支梁，但是会忽略支撑箱的支撑效果。如果按照传统的材料力学公式计算，则不仅计算繁杂而且结果不能准确反映实际受力情况［1］。

运用有限元分析可以准确建立梁的三维模型和受力方式，简化设计分析难度，实现了对主梁的强度、刚度、重量的全程监控，缩短设计周期，降低开发成本。

2.1 主要承载梁的实体模型的建立

建立实体模型是进行有限元分析前的重要步骤之一。本文采用的是SolidWorks 三维造型软件建立重载机械手主梁模型，如图1 所示。使用SolidWorks Simulation进行有限元分析，SolidWorks 软件实现了CAD-CAE 的一体化设计，实现了设计和仿真的同步协同。X 梁模型如图2 所示，Y 梁模型如图3 所示。

图1 重载机械手三维结构示意图

图2 X 梁三维模型

图3 Y 梁三维模型

2.2 网格划分

网格划分是有限元分析前处理中的重要工作，SolidWorks Simulation 先进的网格处理功能可对复杂的几何模型进行高质量的网格处理。

SolidWorks Simulation 中有几种单元类型，一阶实体四面体单元，二阶实体四面体单元，一阶三角形壳单元，二阶三角形壳单元和两个节点的横梁单元。对于一个方向尺寸较长的梁，用实体单元划分会使网格单元的宽高比很大，这样的网格是不可取的。按照各零件的尺寸特性，我们将主梁和支柱用梁单元划分网格，将其他连接法兰板用实体单元划分网格，这样划分的网格精度高［2］，如图4 和图5。

图4 X 梁网格划分，载荷和约束示意

图5 Y 梁网格划分，载荷和约束示意

2.3 约束条件与载荷的处理

如图4 所示，X 梁支柱底端法兰板通过膨胀螺栓与地面联接，可以认为两个X 梁支柱底端法兰板固定不动。如图5 所示，对Y 梁左端支撑箱底面添加固定铰支座，对Y梁右端支撑箱底面添加可动铰支座。对X 梁添加25000N的外力载荷和来自于重力的重力载荷，外力载荷作用在主梁中间的模拟受力板面上，重力载荷为均布载荷。如图5所示，对Y 梁添加25000N 的外力载荷和重力载荷。

3 主要承载梁的强度、刚度分析

将零件材料设为普通碳钢，运行分析可得各梁的应力分布和挠度分布。

由图6 可知，X 梁的最大应力为46MPa，查表得出普通碳钢在交变应力下的许用应力为120MPa［3］，因此强度满足要求；由图7 可知，X 梁的最大挠度变形为5.15mm，起重梁的刚度最大要求为f/L≤1/1000［4］，其中f 为挠度，L为梁跨距，代入数值计算可得f/L=5.15/9700=1/1883，小于1/1000 很多，因此刚度完全满足需求。

由图8 可知，Y 梁的最大应力为42MPa，因此强度满足要求；由图9 可知，Y 梁的最大挠度变形为10.67mm，代入数值计算可得f/L=10.67/9800=1/973，接近1/1000，因此刚度基本满足需求。