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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 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 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 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 ，连杆与压缩活塞铰接处力 的变化 与上述情况相似；3 )曲柄连杆间速度的变化周期约为 0 4 5 s ，且速度变化区间约为2 6 0 0 3 m s 至2 6 0 1 8 m s 。而 连杆与压缩活塞铰接处速度变化的周期约为0 6 6 s ，且在 同一个周期 内存在三个极值 ：0 m s 、 2 6 r n s 、2 6 m s 。 参考文献： 【 1 洪嘉振， 刘铸永 冈 4 柔耦合动力学的建模方法 J 】 上海交通大学 学报， 2 0 0 8 ， 1 1 ： 1 9 2 2 1 9 2 6 【 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，2 0 1 0 ，0 2 ： 2 4 3 2 4 8 【 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) ， 2 0 0 7 ， 0 1 ：4 3 4 5 【 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 报 2 0 0 2 ， 0 2 ： 1 5 9 1 6 6 【 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 f D1 延边大学， 2 0 1 2 f 6 16 高立新， 胡延平， 吴红艳 基于A D A MS 的刚柔耦合汽车悬架性能 分析f J 】 合肥工业大 学学报( 自然科学版) 2 0 0 9 ， 0 6 ： 8 1 4 8 1 7 【 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 耦合虚拟样机 J 吉林大学学报( 工学版) 1 2 0 0 9 ， S l ： 1 8 3 1 8 7 【 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， 2 0 0 5 9 】韩东， 高正， 王浩文， 张虹秋 直升机桨叶刚柔耦合特性及计算方 法 分析 【 J 航空动力学报， 2 0 0 6 ， 0 1 ： 3 6 4 o 【 l 0 】张祥杰 4 5 0 吨钳 夹车 刚柔耦 合动 态仿真 分析 【 D】 大连 交通 大 学 2 0 1 0 【 1 1 】 李海方起重机臂架系统刚柔耦合瞬态动力学仿真分析【 D 武 汉理工大学， 2 0 1 0 【 1 2 】 江迎春 基于 刚柔耦合 的汽车悬架 有限元分 析 D 合肥 工业大 学， 2 0 o 8 1 3 Z Ya n g ， J P S a d l e r On i s s u e s o f e l a s t i c - ri g i d c o u p l i n g i n fi n i t e e l e me n t mo d e l i n g o f h i g h s p e e d ma c h i n e s J 】 Me c h a n i s m a n d Ma c h i n e T h e o r y ， 1 9 9 9 ， 3 5 1 岛 蠡I 蠢I 矗 蠡 蠡 | I 盘 囊 生 j蠡 蠡I 岛 盘 蠡- 鑫 矗- 童 矗 鑫I 蠡 童 蠡 【 上接第6 3 页】 3 结论 通过对建立的机械臂有限元模型，进行仿真分析 ， 指出机械臂结构设计 中的薄弱部位，并对变形较大结构 提出优化方案。 通过优化，机械臂刚度、强度得到提高，应力、形 变明显 降低 ，一阶固有频率提高3 6 7 ，有效避免作业 中的共振现象，同时模态分析为抑制机械臂振动提供 了 重要参考 。 参考文献： 1 】 祁宇明， 邓三鹏， 王仲民， 等 坍塌现场高压水射流破拆机器人系 【 8 4 】 第3 7 卷第1 2 期2 0 1 5 1 2 ( 上) 统研究 J 】 机械设计与制造，2 0 1 3 ，( 6 ) ： 2 0 9 2 1 1 【 2 】王常斌， 王敏， 等 基于C F D的自 进式喷嘴参数优化 J 】 石油钻采 工艺， 2 0 1 3 ， ( 1 ) ： 1 0 8 1 1 1 3 】 王圣磊混合式磨料射流清洗试验及参数匹配研究 D 】 东营： 中 国石油大学， 2 0 0 9 ： 2 6 3 5 【 4 薛胜雄， 等 高压水射流技术工程【 M】 合肥： 合肥工业大学出版 社 2 0 0 6 ： 3 4 3 6 ， 6 7 2 6 7 3 5 】袁振清， 等 化学发光免疫分析仪机械臂设计与有限元分析 J 】 _ 制造业 自动化， 2 0 1 5 ， O 1 ： 1 4 2 1 4 7 【 6 】 MOKB E L H F ， De s i g n o p t i mi z a t i o n o f t h e i n n e r g i mb a l f o r d u a l a x i s i n e r t i al l y s t a b fl i z e dp l a tf o r m u s mgmo d a l a n aly s i s 叨 I n t e rna t i o n al J o u ma l o f Mo d e m E n g in e e ri n gRe s e a r c h , 2 0 1 2 ， 2 ： 2 3 9 - 2 4 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m