搜索拆除機(jī)器人整機(jī)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(lái)源:仿真在線
作者: 王玉飛 岑豫皖 羅銘 包家漢 來(lái)源: 萬(wàn)方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 模態(tài)分析 有限元法 ANSYS 拆除機(jī)器人
拆除機(jī)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(jī)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(xiǎn)救援工作中對(duì)劇毒化學(xué)物質(zhì)泄漏、核物質(zhì)泄漏的搬運(yùn)與處理。對(duì)予這樣復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備,僅僅研究其中單個(gè)零部件的機(jī)械性能已經(jīng)不能滿足要求,有必要深入地研究其整機(jī)的動(dòng)力學(xué)性能。以某型號(hào)的拆除機(jī)器人為研究對(duì)象,首先利用proe軟件建立了其三維實(shí)體模型,通過(guò)proe與ANSYS的接口將其導(dǎo)入ANSYS中,并通過(guò)節(jié)點(diǎn)耦合的方式處理機(jī)構(gòu)連接,從而建立起了整機(jī)的有限元模型,運(yùn)用lanczos法對(duì)該有限元模型進(jìn)行了求解,獲得了整機(jī)的前l(fā)O階固有振動(dòng)頻率和模態(tài)振型,為進(jìn)一步進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析奠定了基礎(chǔ)。
工程實(shí)際中,幾乎所有的設(shè)備都處在振動(dòng)環(huán)境中,并以各自特有的形態(tài)進(jìn)行著振動(dòng),這不僅有礙產(chǎn)品功能的發(fā)揮,而且還會(huì)損害操作者的身心健康,污染環(huán)境。同時(shí),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(duì)其工作性能的要求也越來(lái)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(dòng)態(tài)特性。因此,必須對(duì)機(jī)械產(chǎn)品和設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析、設(shè)計(jì),以滿足機(jī)械結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)特性要求與低振動(dòng)、低噪聲的要求。
拆除機(jī)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(dòng)態(tài)特性。同時(shí),拆除機(jī)器人工作在強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境下,其工作裝置為液壓沖擊器,為確保拆除機(jī)器人工作時(shí)具有足夠的強(qiáng)度和剛度,并確保其激振源頻率避開整機(jī)的一階固有頻率,同時(shí)做到各部件變形最小、振動(dòng)最小、輻射噪聲最小,就需要研究其動(dòng)態(tài)特性,通過(guò)抑制振動(dòng)、優(yōu)化結(jié)構(gòu)來(lái)提高機(jī)器人結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度和動(dòng)強(qiáng)度,因此有必要對(duì)其整機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析。模態(tài)分析屬于動(dòng)態(tài)分析的范疇,一般用于確定設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)或部件的振動(dòng)特性(頻率響應(yīng)和模態(tài)),也是其它動(dòng)力學(xué)分析的起點(diǎn)。
1 模態(tài)分析理論
一個(gè)N自由度的線性系統(tǒng),其運(yùn)動(dòng)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(diǎn)的位移響應(yīng)向量;[F]為系統(tǒng)各點(diǎn)的激勵(lì)力向量。
式(1)是一組耦合方程,當(dāng)系統(tǒng)自由度很大時(shí),求解十分困難。將耦合方程變化為非耦合的獨(dú)立方程組,是模態(tài)分析必須解決的問(wèn)題。模態(tài)分析方法就是以無(wú)阻尼的各階主振型所對(duì)應(yīng)的模態(tài)坐標(biāo)來(lái)代替物理坐標(biāo),使微分方程解耦,變成各個(gè)獨(dú)立的微分方程。對(duì)式(1)兩邊進(jìn)行拉氏變換,得:
2 實(shí)體模型的建立
proe具有強(qiáng)大的實(shí)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(jìn)行實(shí)體建模,然后將模型導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)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(shí)在太弱,特別是對(duì)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(shí)體模型。
采用proe Wildfire2.0構(gòu)造拆除機(jī)器人的三維實(shí)體模型。首先構(gòu)造好每個(gè)零部件的模型,在建模過(guò)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(shí)將行走機(jī)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(zhǔn)確性,但在劃分網(wǎng)格時(shí)微小的特征卻對(duì)網(wǎng)格的精度要求很高,會(huì)增加網(wǎng)格的密度,使計(jì)算量成倍的增長(zhǎng),而且計(jì)算的準(zhǔn)確性并沒(méi)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(shí)體整機(jī)模型(圖1)。
3 有限元模型的建立
圖1 proe中建立的整機(jī)實(shí)體模型
最終完成的拆除機(jī)器人的三維實(shí)體模型共有80個(gè)零部件,鑒于其結(jié)構(gòu)過(guò)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(shí)出現(xiàn)線和面等幾何特征的丟失,導(dǎo)致后續(xù)工作無(wú)法完成,而ANSYS內(nèi)嵌了對(duì)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(rèn)的狀態(tài)下是不能對(duì)Pm/E中的prt(或asm)文件進(jìn)行直接轉(zhuǎn)換的。必須通過(guò)對(duì)AN—SYS進(jìn)行連接設(shè)置以激活模塊。
鼠標(biāo)點(diǎn)擊“開始→程序→ANSYS10.0→Utilities→ANS_ADMIN”,選擇“Configuration options→OK”,接下來(lái)的對(duì)話框順序選取“ConfigurationConnection for proeNGINEER→OK”和“ANSYS Multiphysics&WIN32→OK”。完成后,ANSYS會(huì)自動(dòng)提示已在自己的安裝目錄中成功生成了config.anscon文件。現(xiàn)在打開proe,如果在“工具”菜單的后面出現(xiàn)一個(gè)新菜單“ANSYS 10.0”(如圖2所示),就表示已經(jīng)成功建立了接口。
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(jī)器人的模型文件,單擊“ANSYS 10.0”菜單下的“ANSYSGeom”,就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)ANSYS進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換。傳送完成的拆除機(jī)器人實(shí)體模型共計(jì)有80個(gè)體,1378個(gè)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(lái)控制其周向及軸向網(wǎng)格劃分?jǐn)?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(jī)網(wǎng)格劃分完成后共有102106個(gè)單元,246563個(gè)節(jié)點(diǎn)。
3.3 機(jī)構(gòu)聯(lián)接的處理
機(jī)構(gòu)模態(tài)分析中若僅對(duì)其中的個(gè)別零部件進(jìn)行分析,無(wú)法全面反映其整體性能,特別是在動(dòng)態(tài)分析中,各零部件聯(lián)接處的參數(shù)對(duì)其動(dòng)態(tài)性能的影響較大。因此,要想準(zhǔn)確而全面地了解復(fù)雜結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能,就必須對(duì)其整體進(jìn)行模態(tài)與動(dòng)力學(xué)分析。
與結(jié)構(gòu)相比較,機(jī)構(gòu)是一幾何可變體系,隨原動(dòng)件位置不同,機(jī)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(dāng)原動(dòng)件位置確定后,機(jī)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(yùn)動(dòng)副聯(lián)接。雖然各組成運(yùn)動(dòng)副的兩構(gòu)件間無(wú)大的相對(duì)運(yùn)動(dòng),但組成的各柔性體的變形仍會(huì)引起運(yùn)動(dòng)副發(fā)生較小的相對(duì)變形,其影響在靜力與動(dòng)力學(xué)分析中均不可忽視。
在ANSYS軟件中對(duì)于由多個(gè)零件聯(lián)接而成的復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu),聯(lián)接一般采用以下三種方式進(jìn)行處理:
(1)利用布爾運(yùn)算VGLUE,將多個(gè)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(diǎn),通過(guò)約束方程或耦合實(shí)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(shí)質(zhì)均為剛性聯(lián)接,在模態(tài)分析中處理鉸接等運(yùn)動(dòng)副不符合實(shí)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(dòng)力分析中,采用接觸單元來(lái)處理運(yùn)動(dòng)副雖然更符合實(shí)際,但對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu),計(jì)算不易收斂或計(jì)算時(shí)間漫長(zhǎng),若不需考慮運(yùn)動(dòng)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(lái)處理運(yùn)動(dòng)副。
采用有限元方法計(jì)算機(jī)構(gòu)在特定位置和姿態(tài)的模態(tài)時(shí),對(duì)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(biāo)系,選擇銷軸外表面與孔內(nèi)表面所有節(jié)點(diǎn),生成此運(yùn)動(dòng)副的節(jié)點(diǎn)組件,將節(jié)點(diǎn)自由度在局部坐標(biāo)系中進(jìn)行轉(zhuǎn)換,每個(gè)節(jié)點(diǎn)的3個(gè)平動(dòng)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(shí),在局部柱坐標(biāo)系中,轉(zhuǎn)換后各運(yùn)動(dòng)副節(jié)點(diǎn)組件徑向坐標(biāo)R相同,在運(yùn)動(dòng)副節(jié)點(diǎn)組件中,根據(jù)節(jié)點(diǎn)的z坐標(biāo)和0,循環(huán)選擇相近的節(jié)點(diǎn),通過(guò)CERIG命令約束位置相近的節(jié)點(diǎn)徑向自由度,保留其切向自由度,使得各節(jié)點(diǎn)仍能繞銷孑L軸線轉(zhuǎn)動(dòng),以此來(lái)模擬銷軸處的轉(zhuǎn)動(dòng)副。為限制軸銷的軸向運(yùn)動(dòng),還需要耦合其端面的節(jié)點(diǎn)。最后約束4個(gè)支腿和地面的接觸面的所有節(jié)點(diǎn)的所有自由度。節(jié)點(diǎn)耦合完成后的有限元模型如圖3所示。
圖3 有限元模型
4 有限元模態(tài)分析結(jié)果
機(jī)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(jī)器人的激振源的頻率為7.5~12.5Hz,最高部分達(dá)到了整機(jī)的1階模態(tài)頻率,因而整機(jī)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(gè)工作臂作為一個(gè)整體在可旋轉(zhuǎn)機(jī)座上做橫向擺動(dòng),主振系統(tǒng)是拆除機(jī)器人的工作機(jī)構(gòu),從振型動(dòng)畫看出拆除機(jī)器人的工作裝置也就是液壓錘的振動(dòng)幅值很大,因此在日常工作中激振源(液壓沖擊器)應(yīng)當(dāng)盡量避免工作在最高頻率下,同時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮加強(qiáng)工作臂的橫向動(dòng)剛度,從而抑制這種振動(dòng)。
表1 拆除機(jī)器人的前10階固有頻率及振型描述
圖4 1階振型圖
圖5 2階振型圖
圖6 3階振型圖
圖7 4階振型圖
5 結(jié)束語(yǔ)
(1)采用ANSYS軟件對(duì)此整機(jī)有限元模型進(jìn)行了模態(tài)分析,求出了拆除機(jī)器人整機(jī)前10階固有頻率與振型。
(2)拆除機(jī)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(shuō)明在拆除機(jī)器人工作在最高工作頻率的時(shí)候,極易誘發(fā)其1階模態(tài),因此需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn),以避開其1階固有頻率,提高整機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性。
(3)通過(guò)耦合銷軸節(jié)點(diǎn)自由度的方法,模擬銷軸聯(lián)接,進(jìn)行機(jī)構(gòu)模態(tài)分析,但這種方法沒(méi)有考慮銷軸結(jié)合面的阻尼對(duì)機(jī)構(gòu)的模態(tài)的影響,如何更加準(zhǔn)確的考慮這些影響值得進(jìn)一步探討。
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