拆除機器人整機的模態分析

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

作者: 王玉飛岑豫皖羅銘包家漢來源: 萬方數據
關鍵字: 模態分析有限元法 ANSYS 拆除機器人

拆除機器人是為了適應高溫、高輻射、高噪聲等惡劣工作環境而開發的一種遙控多功能作業機器人,廣泛應用于水泥行業和冶金行業中的拆除工作以及在搶險救援工作中對劇毒化學物質泄漏、核物質泄漏的搬運與處理。對予這樣復雜的機械設備,僅僅研究其中單個零部件的機械性能已經不能滿足要求,有必要深入地研究其整機的動力學性能。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的接口將其導入ANSYS中,并通過節點耦合的方式處理機構連接,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lO階固有振動頻率和模態振型,為進一步進行動力學分析奠定了基礎。

工程實際中,幾乎所有的設備都處在振動環境中,并以各自特有的形態進行著振動,這不僅有礙產品功能的發揮,而且還會損害操作者的身心健康,污染環境。同時,隨著科學技術的發展,產品結構也日趨復雜,對其工作性能的要求也越來越高,為使產品能夠安全可靠地工作,必須保證結構系統具有良好的動態特性。因此,必須對機械產品和設備進行動態分析、設計,以滿足機械結構靜、動態特性要求與低振動、低噪聲的要求。

拆除機器人是由許多結構形狀復雜的零部件組成的系統,欲研究其整柵眭能,需要分析裝配部件的動態特性。同時,拆除機器人工作在強振動環境下,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,就需要研究其動態特性,通過抑制振動、優化結構來提高機器人結構的動剛度和動強度,因此有必要對其整機進行模態分析。模態分析屬于動態分析的范疇,一般用于確定設計中的結構或部件的振動特性(頻率響應和模態),也是其它動力學分析的起點。

1 模態分析理論

一個N自由度的線性系統,其運動微分方程為:

式中:[M]為系統的質量;[c]為系統的阻尼;[K]為系統的剛度矩陣;[%]為系統各點的位移響應向量;[F]為系統各點的激勵力向量。

式(1)是一組耦合方程,當系統自由度很大時,求解十分困難。將耦合方程變化為非耦合的獨立方程組,是模態分析必須解決的問題。模態分析方法就是以無阻尼的各階主振型所對應的模態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,特別是對一些復雜的結構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構造拆除機器人的三維實體模型。首先構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,同時將行走機構中的履帶去除并將其質量加入底盤部分的模型中。這些特征并不影響分析結果的準確性,但在劃分網格時微小的特征卻對網格的精度要求很高,會增加網格的密度,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,鑒于其結構過于復雜,采用常用的中間數據文件(IGES、DXF或STEP)格式導人ANSYS時出現線和面等幾何特征的丟失,導致后續工作無法完成,而ANSYS內嵌了對proe的支持,故此處采用了proe與ANSYS的接口將模型導人ANSYS。

3.1 配置ANSYS—proe接口

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

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。現在打開proe,如果在“工具”菜單的后面出現一個新菜單“ANSYS 10.0”(如圖2所示),就表示已經成功建立了接口。

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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 有限元網格的劃分

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

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

3.3 機構聯接的處理

機構模態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,特別是在動態分析中,各零部件聯接處的參數對其動態性能的影響較大。因此,要想準確而全面地了解復雜結構的動態性能,就必須對其整體進行模態與動力學分析。

與結構相比較,機構是一幾何可變體系,隨原動件位置不同,機構呈現出不同的幾何形狀,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,機構轉變成結構,但與一般的結構不同之處在于系統中存在各種運動副聯接。雖然各組成運動副的兩構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生較小的相對變形,其影響在靜力與動力學分析中均不可忽視。
在ANSYS軟件中對于由多個零件聯接而成的復雜機械結構,聯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)各自劃分網格后,在Volume之間的界面上定義接觸單元用。

(3)各自劃分網格后,在Volume之間的界面處節點,通過約束方程或耦合實現聯接。

若采用體相加或體的粘接方式,或者采用設置接觸單元的方式,其實質均為剛性聯接,在模態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,有些模態丟失。

在靜力分析和瞬態動力分析中,采用接觸單元來處理運動副雖然更符合實際,但對復雜結構,計算不易收斂或計算時間漫長,若不需考慮運動副聯接處的局部應力與變形,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在特定位置和姿態的模態時,對于典型的銷軸結構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表面所有節點,生成此運動副的節點組件,將節點自由度在局部坐標系中進行轉換,每個節點的3個平動自由度轉換成徑向尺、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,轉換后各運動副節點組件徑向坐標R相同,在運動副節點組件中,根據節點的z坐標和0,循環選擇相近的節點,通過CERIG命令約束位置相近的節點徑向自由度,保留其切向自由度,使得各節點仍能繞銷孑L軸線轉動,以此來模擬銷軸處的轉動副。為限制軸銷的軸向運動,還需要耦合其端面的節點。最后約束4個支腿和地面的接觸面的所有節點的所有自由度。節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 有限元模態分析結果

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階模態頻率及振型,并提取前10階模態,結果如表1所示。限于篇幅,本文只給出了前4階的模態振型圖,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階模態頻率,因而整機的1階模態就更加值得關注。從模態分析結果可以看出,其1階模態振型為整個工作臂作為一個整體在可旋轉機座上做橫向擺動,主振系統是拆除機器人的工作機構,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)應當盡量避免工作在最高頻率下,同時應當考慮加強工作臂的橫向動剛度,從而抑制這種振動。