拆除機器人整機的模態(tài)分析

2013-05-08 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

作者: 王玉飛岑豫皖羅銘包家漢來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 模態(tài)分析有限元法 ANSYS 拆除機器人

拆除機器人是為了適應(yīng)高溫、高輻射、高噪聲等惡劣工作環(huán)境而開發(fā)的一種遙控多功能作業(yè)機器人,廣泛應(yīng)用于水泥行業(yè)和冶金行業(yè)中的拆除工作以及在搶險救援工作中對劇毒化學(xué)物質(zhì)泄漏、核物質(zhì)泄漏的搬運與處理。對予這樣復(fù)雜的機械設(shè)備,僅僅研究其中單個零部件的機械性能已經(jīng)不能滿足要求,有必要深入地研究其整機的動力學(xué)性能。以某型號的拆除機器人為研究對象,首先利用proe軟件建立了其三維實體模型,通過proe與ANSYS的接口將其導(dǎo)入ANSYS中,并通過節(jié)點耦合的方式處理機構(gòu)連接,從而建立起了整機的有限元模型,運用lanczos法對該有限元模型進行了求解,獲得了整機的前l(fā)O階固有振動頻率和模態(tài)振型,為進一步進行動力學(xué)分析奠定了基礎(chǔ)。

工程實際中,幾乎所有的設(shè)備都處在振動環(huán)境中,并以各自特有的形態(tài)進行著振動,這不僅有礙產(chǎn)品功能的發(fā)揮,而且還會損害操作者的身心健康,污染環(huán)境。同時,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜,對其工作性能的要求也越來越高,為使產(chǎn)品能夠安全可靠地工作,必須保證結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性。因此,必須對機械產(chǎn)品和設(shè)備進行動態(tài)分析、設(shè)計,以滿足機械結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)特性要求與低振動、低噪聲的要求。

拆除機器人是由許多結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的零部件組成的系統(tǒng),欲研究其整柵眭能,需要分析裝配部件的動態(tài)特性。同時,拆除機器人工作在強振動環(huán)境下,其工作裝置為液壓沖擊器,為確保拆除機器人工作時具有足夠的強度和剛度,并確保其激振源頻率避開整機的一階固有頻率,同時做到各部件變形最小、振動最小、輻射噪聲最小,就需要研究其動態(tài)特性,通過抑制振動、優(yōu)化結(jié)構(gòu)來提高機器人結(jié)構(gòu)的動剛度和動強度,因此有必要對其整機進行模態(tài)分析。模態(tài)分析屬于動態(tài)分析的范疇,一般用于確定設(shè)計中的結(jié)構(gòu)或部件的振動特性(頻率響應(yīng)和模態(tài)),也是其它動力學(xué)分析的起點。

1 模態(tài)分析理論

一個N自由度的線性系統(tǒng),其運動微分方程為:

式中:[M]為系統(tǒng)的質(zhì)量;[c]為系統(tǒng)的阻尼;[K]為系統(tǒng)的剛度矩陣;[%]為系統(tǒng)各點的位移響應(yīng)向量;[F]為系統(tǒng)各點的激勵力向量。

式(1)是一組耦合方程,當系統(tǒng)自由度很大時,求解十分困難。將耦合方程變化為非耦合的獨立方程組,是模態(tài)分析必須解決的問題。模態(tài)分析方法就是以無阻尼的各階主振型所對應(yīng)的模態(tài)坐標來代替物理坐標,使微分方程解耦,變成各個獨立的微分方程。對式(1)兩邊進行拉氏變換,得:

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2 實體模型的建立

proe具有強大的實體和曲面造型功能,而AN—SYS具有完善的有限元分析功能,且proe和ANSYS能夠完全接口,因此,在這里選用proe進行實體建模,然后將模型導(dǎo)入ANSYS中進行有限元分析[11。雖然ANSYS本身具備三維建模能力,但相比起其它一些專門化的三維造型軟件如proe、UG等其建模能力實在太弱,特別是對一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和曲面很難完成建模工作,因此有必要利用專用CAD軟件建立實體模型。

采用proe Wildfire2.0構(gòu)造拆除機器人的三維實體模型。首先構(gòu)造好每個零部件的模型,在建模過程中刪除零件中的一些微小特征如軸承的油孔,螺栓連接的小孔,軸上的定位銷、鍵槽,還有一些微小的倒角特征,同時將行走機構(gòu)中的履帶去除并將其質(zhì)量加入底盤部分的模型中。這些特征并不影響分析結(jié)果的準確性,但在劃分網(wǎng)格時微小的特征卻對網(wǎng)格的精度要求很高,會增加網(wǎng)格的密度,使計算量成倍的增長,而且計算的準確性并沒有因此而提高。再將所有零部件在proe的裝配模塊中裝配為三維實體整機模型(圖1)。

3 有限元模型的建立

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圖1 proe中建立的整機實體模型

最終完成的拆除機器人的三維實體模型共有80個零部件,鑒于其結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜,采用常用的中間數(shù)據(jù)文件(IGES、DXF或STEP)格式導(dǎo)人ANSYS時出現(xiàn)線和面等幾何特征的丟失,導(dǎo)致后續(xù)工作無法完成,而ANSYS內(nèi)嵌了對proe的支持,故此處采用了proe與ANSYS的接口將模型導(dǎo)人ANSYS。

3.1 配置ANSYS—proe接口

ANSYS在默認的狀態(tài)下是不能對Pm/E中的prt(或asm)文件進行直接轉(zhuǎn)換的。必須通過對AN—SYS進行連接設(shè)置以激活模塊。

鼠標點擊“開始→程序→ANSYS10.0→Utilities→ANS_ADMIN”,選擇“Configuration options→OK”,接下來的對話框順序選取“ConfigurationConnection for proeNGINEER→OK”和“ANSYS Multiphysics&WIN32→OK”。完成后,ANSYS會自動提示已在自己的安裝目錄中成功生成了config.anscon文件?，F(xiàn)在打開proe,如果在“工具”菜單的后面出現(xiàn)一個新菜單“ANSYS 10.0”(如圖2所示),就表示已經(jīng)成功建立了接口。

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圖2 配置完成后的ANSYS-proe接口

接口配置完成后,在proe中打開拆除機器人的模型文件,單擊“ANSYS 10.0”菜單下的“ANSYSGeom”,就會自動啟動ANSYS進行模型轉(zhuǎn)換。傳送完成的拆除機器人實體模型共計有80個體,1378個面,3346條線。

3.2 有限元網(wǎng)格的劃分

將需要手工控制網(wǎng)格劃分的軸及軸套選出來控制其周向及軸向網(wǎng)格劃分數(shù)(此處采用SOLIDl86單元)。

其余部件采用自由網(wǎng)格劃分(此處采用SOLIDl87單元)并利用Smart Size控制生成的網(wǎng)格質(zhì)量,整機網(wǎng)格劃分完成后共有102106個單元,246563個節(jié)點。

3.3 機構(gòu)聯(lián)接的處理

機構(gòu)模態(tài)分析中若僅對其中的個別零部件進行分析,無法全面反映其整體性能,特別是在動態(tài)分析中,各零部件聯(lián)接處的參數(shù)對其動態(tài)性能的影響較大。因此,要想準確而全面地了解復(fù)雜結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能,就必須對其整體進行模態(tài)與動力學(xué)分析。

與結(jié)構(gòu)相比較,機構(gòu)是一幾何可變體系,隨原動件位置不同,機構(gòu)呈現(xiàn)出不同的幾何形狀,從而也就具有不同的固有頻率和振型嘲。當原動件位置確定后,機構(gòu)轉(zhuǎn)變成結(jié)構(gòu),但與一般的結(jié)構(gòu)不同之處在于系統(tǒng)中存在各種運動副聯(lián)接。雖然各組成運動副的兩構(gòu)件間無大的相對運動,但組成的各柔性體的變形仍會引起運動副發(fā)生較小的相對變形,其影響在靜力與動力學(xué)分析中均不可忽視。
在ANSYS軟件中對于由多個零件聯(lián)接而成的復(fù)雜機械結(jié)構(gòu),聯(lián)接一般采用以下三種方式進行處理:

(1)利用布爾運算VGLUE,將多個volume粘接到一起。

(2)各自劃分網(wǎng)格后,在Volume之間的界面上定義接觸單元用。

(3)各自劃分網(wǎng)格后,在Volume之間的界面處節(jié)點,通過約束方程或耦合實現(xiàn)聯(lián)接。

若采用體相加或體的粘接方式,或者采用設(shè)置接觸單元的方式,其實質(zhì)均為剛性聯(lián)接,在模態(tài)分析中處理鉸接等運動副不符合實際情況,造成各階固有頻率增大,有些模態(tài)丟失。

在靜力分析和瞬態(tài)動力分析中,采用接觸單元來處理運動副雖然更符合實際,但對復(fù)雜結(jié)構(gòu),計算不易收斂或計算時間漫長,若不需考慮運動副聯(lián)接處的局部應(yīng)力與變形,仍可采用耦合或約束的方式來處理運動副。

采用有限元方法計算機構(gòu)在特定位置和姿態(tài)的模態(tài)時,對于典型的銷軸結(jié)構(gòu)可以建立位于銷軸中心的局部柱坐標系,選擇銷軸外表面與孔內(nèi)表面所有節(jié)點,生成此運動副的節(jié)點組件,將節(jié)點自由度在局部坐標系中進行轉(zhuǎn)換,每個節(jié)點的3個平動自由度轉(zhuǎn)換成徑向尺、切向和平行銷軸軸線的自由度磊采用銷軸連接時,在局部柱坐標系中,轉(zhuǎn)換后各運動副節(jié)點組件徑向坐標R相同,在運動副節(jié)點組件中,根據(jù)節(jié)點的z坐標和0,循環(huán)選擇相近的節(jié)點,通過CERIG命令約束位置相近的節(jié)點徑向自由度,保留其切向自由度,使得各節(jié)點仍能繞銷孑L軸線轉(zhuǎn)動,以此來模擬銷軸處的轉(zhuǎn)動副。為限制軸銷的軸向運動,還需要耦合其端面的節(jié)點。最后約束4個支腿和地面的接觸面的所有節(jié)點的所有自由度。節(jié)點耦合完成后的有限元模型如圖3所示。

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圖3 有限元模型

4 有限元模態(tài)分析結(jié)果

機器人所用材料的彈性模量為,泊松比0.3,密度。采用Blocklanczos法求解此模型的前20階模態(tài)頻率及振型,并提取前10階模態(tài),結(jié)果如表1所示。限于篇幅,本文只給出了前4階的模態(tài)振型圖,如圖4一圖7所示。由于拆除機器人的激振源的頻率為7.5~12.5Hz,最高部分達到了整機的1階模態(tài)頻率,因而整機的1階模態(tài)就更加值得關(guān)注。從模態(tài)分析結(jié)果可以看出,其1階模態(tài)振型為整個工作臂作為一個整體在可旋轉(zhuǎn)機座上做橫向擺動,主振系統(tǒng)是拆除機器人的工作機構(gòu),從振型動畫看出拆除機器人的工作裝置也就是液壓錘的振動幅值很大,因此在日常工作中激振源(液壓沖擊器)應(yīng)當盡量避免工作在最高頻率下,同時應(yīng)當考慮加強工作臂的橫向動剛度,從而抑制這種振動。

表1 拆除機器人的前10階固有頻率及振型描述

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圖4 1階振型圖

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圖5 2階振型圖

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圖6 3階振型圖

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圖7 4階振型圖

5 結(jié)束語

(1)采用ANSYS軟件對此整機有限元模型進行了模態(tài)分析,求出了拆除機器人整機前10階固有頻率與振型。

(2)拆除機器人的激振源(液壓沖擊器)的頻率為7.5~12.5Hz,而其1階模態(tài)頻率為12.305Hz,正好處于這一區(qū)間,這說明在拆除機器人工作在最高工作頻率的時候,極易誘發(fā)其1階模態(tài),因此需要對其結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)的改進,以避開其1階固有頻率,提高整機的動力學(xué)特性。

(3)通過耦合銷軸節(jié)點自由度的方法,模擬銷軸聯(lián)接,進行機構(gòu)模態(tài)分析,但這種方法沒有考慮銷軸結(jié)合面的阻尼對機構(gòu)的模態(tài)的影響,如何更加準確的考慮這些影響值得進一步探討。

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