來源：仿真學(xué)習(xí)與應(yīng)用

案例簡介

本案例源自某公司噴漿機產(chǎn)品在工程使用中出現(xiàn)機械臂裂縫甚至斷裂的真實情況。該噴漿機機械臂在頻繁的啟停時，后臂處出現(xiàn)裂口后斷裂，可能造成嚴重安全事故。為分析機械臂斷裂的原因，并對其結(jié)構(gòu)強度進行進一步的改進，本案列運用Adams和Ansys對機械臂的運動學(xué)與動力學(xué)模型和后臂有限元模型進行建模分析。

基于Adams的運動學(xué)與動力學(xué)建模與仿真

在對噴漿機進行有限元強度分析前，需要對噴漿機的工況進行綜合考慮，分析出后臂最危險的工況，在對其進行其加載分析。為了分析噴漿機在不同姿態(tài)工作時的受力情況，利用動力學(xué)分析仿真軟件Adams對噴漿機機械臂系統(tǒng)進行仿真。

1.模型建立

從Solidworks建立好的機械臂裝配CAD模型導(dǎo)入Adams中，定義各構(gòu)件質(zhì)量信息、各運動副的約束。得到Adams運動學(xué)與動力學(xué)模型。

Adams運動學(xué)與動力學(xué)模型

2.定義外作用力

分析噴漿頭受力可知，噴漿輸送的流量為最大30方/小時，1方混凝土按2400kg來算；噴漿口直徑55mm；空壓機的流量為11方/小時。經(jīng)過計算，在噴漿頭處添加噴漿時軟管和軟管內(nèi)的混凝土對噴漿頭的作用力約2000N。此外，在俯仰臂一側(cè)還支撐一段輸送混凝土的管道，作用力約1500N。

3.根據(jù)工況設(shè)置驅(qū)動

在液壓油缸處運動副上定義驅(qū)動，以模擬工程使用中的實際工況。

仿真工況描述：機械臂從初始位置向上揚起到仰角最大位置，然后向下運動到初始位置。（初始位置為大臂和伸縮臂均水平，伸縮臂縮到最短位置）。下圖為噴漿機機械臂在該工況運動過程中，一級油缸和二級油缸的作用力變化曲線。

一級油缸和二級油缸的作用力變化曲線

通過測量后臂各個鉸點運動副的受力，可得其在工況運動過程中的x、y、z方向受力情況（如下圖）。通過分析可知，10s時后臂處于受力最大的姿態(tài)，記錄此時的各鉸點受力情況見表1。

后臂各鉸點x、y、z方向受力情況

基于Ansys的后臂有限元模型建模及仿真

1.基于HyperMesh有限元模型前處理

為了獲得精度較高的網(wǎng)格，也方便定義后臂材料屬性。本案例中使用HyperMesh對后臂幾何體進行網(wǎng)格劃分。

HyperMesh網(wǎng)格模型

為了方便在對應(yīng)的鉸點上施加上面得到的Adams仿真分析得到的受力結(jié)果，在后臂的鉸座表面處均建立了點網(wǎng)格（MASS21）,并與鉸座表面節(jié)點建立起剛性連接。定義點網(wǎng)格質(zhì)量近似為0，這樣在點網(wǎng)格施加的力可以等效的傳遞到鉸座表面各節(jié)點處。

HyperMesh中建立的剛性連接

2.Ansys有限元模型

將HyperMesh建立的網(wǎng)格文件輸出為cdb格式并導(dǎo)入到Ansys中，在油缸鉸座位置設(shè)置約束，并在鉸點處分別添加x、y、z方向的作用力。（注意：此時坐標(biāo)系需要與Adams中是否保持一致）

Ansys 仿真模型

進行上述設(shè)置后，進行慣性釋放（Inertia Relif）后進行求解，得到后臂應(yīng)力仿真分析結(jié)果。

后臂應(yīng)力仿真分析結(jié)果

后臂斷裂位置與有限元結(jié)果對比

通過對比該公司現(xiàn)場問題斷臂的位置和有限元仿真結(jié)果，后臂出現(xiàn)裂縫和斷開位置均位于后臂的T型角處，與仿真應(yīng)力最大位置一致。

后臂斷裂位置與有限元結(jié)果對比

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