本案例載體源自筆者碩士研究生期間從事研發的隧道重型機械手，該機械手作為隧道噴漿支護噴漿機器人的全自動化的核心操作機構，該機械手在工程使用的一年過程中，頻繁的啟停時，運動，噴漿工作等復雜工況，各機械手關節運動性能仍均正常，說明機械手各關節設計存在較大的冗余度，在國家車輛行業節能減排的驅使下，輕量化設計技術不斷發展，因此對于該機械手進行輕量化優化分析很有必要，本案列運用ADAMS和Inspire對機械手的運動學與動力學模型和臂架的有限元模型進行建模以及拓撲優化分析。

1. 基于Adams的運動學與動力學建模與仿真

      在該重型機械手進行輕量化分析前，需要對機械手的工況進行綜合考慮，分析出各關節最危險的工況，在對其進行其加載分析。為了分析噴漿機在不同姿態工作時的受力情況，利用動力學分析仿真軟件ADAMS對機械手系統進行仿真。 從creo中建立好的機械臂裝配CAD模型導入Adams中，定義各構件質量信息、各運動副的約束以及附加混凝管道重力,得到Adams運動學與動力學模型。

                                                           Adams運動學與動力學模型

        仿真工況描述：機械手從初始位置向上揚起水平位置，然后大臂伸縮臂走水平位移2m。（初始位置為大臂處于上仰位姿，伸縮臂縮到最短位置），小臂伸縮臂走水平位移2m,小臂從初始位置60°回轉到-180°，由于該機械手各關節結構復雜，本文主要研究三臂輕量化工作，因為三臂是大臂與小臂的連接關節，承受著大臂和小臂給予的復雜載荷。通過測量三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，20s時三臂臂處于受力最大的姿態，記錄此時的各鉸點受力情況

                                                               Jiont 1鉸點受力曲線

                                                                Jiont 2鉸點受力曲線

                                                              Jiont 3鉸點受力曲線

                                                           Jiont 4鉸點受力曲線

                                                       Jiont 5鉸點受力曲線

通過分析可知，20s時三臂處于受力最大的姿態，記錄此時的各鉸點受力情況見表

鉸接位置	Jiont 1(N)	Jiont2(N)	Jiont3(N)	Jiont 4(N)	Jiont 5(N)
X	1.37e5	-1763.74	-1.37e5	588	1158
Y	-38656	-1015	49165	383	-8597
Z	12543	-501	-12513	1110	-605

2基于inspire的機械手三臂臂架優化分析

      該機械手三臂臂架由各不同厚度形狀的板材焊接成箱體結構，對臂架的的靜力分析的固定載荷取上結分析的極限工況，施加載荷處位于臂架的孔心位置，在孔心位置創建剛性連接器連接，連接器可以把力根據位置分配給連接面或點，采用剛性連接并施加集中載荷，并開啟慣性釋放選項。材料參數為：

材料名稱	楊氏模量	泊松比	密度	屈服強度
HG70	2.1e11	0.3	7800kg/m3	550MPA

分析應力位移云圖為：

      原模型分析結果可知最大應力158MPa，發生在下左側板拐角處，最大位移0.46MM，。剛強度結果遠低于HG70材料的屈服極限范圍，有較大優化空間，由于臂架左右側板的應力值較小，考慮進行輕量化拓撲減重處理。

Inspire優化具體操作：

      如同HyperWorks做優化設計，Inspire也需要劃分設計區、非設計區域，但操作起來要簡單的多，只需鼠標右鍵即可完成。下圖所示的模型已經分出了設計區域（棕色），非設計區域（灰色）并施加對稱邊界條件。

    采用拓撲優化以側面區域為設計空間，綜合考慮極限工況，以最大化剛度為目標的，厚度約束最小為0.03245mm,質量目標設置為占空間總體積的70%，拓撲分析結果以及應力形變云圖如下：

       繼續以最大化剛度為目標的，厚度約束最小為0.03245mm,更改質量目標設置為占空間總體積的50%，拓撲分  析如下：

	原設計	優化后（最大剛度，質量70%）	優化后（最大剛度，質量50%）
重量	185kg	174kg	165kg
最大位移	0.46mm	0.456mm	0.52mm
米塞斯應力MAX	158Mpa	137Mpa	149Mpa
最小安全系數	3.8	4.2	4.113

       對比以上結果可知當優化后的臂架，質量目標設置為占總體積的70%時，的在各強剛度，重量，最小安全系數等評價指標均優于原設計，所需材料也少于原設計，減少了成本提高了可靠性，當質量目標設置為占總體積的50%時，強度，重量，最小安全系數優于原設計，但犧牲了一定的剛度，相比整體其他性能的提升，拓撲后的輕量化結構設計方案是可靠的，因此機械手的其他關節也可依循改方法進行優化分析。

    筆者說：仿真驅動設計，solidThinking Inspire是一個分分鐘可以上手的工具，它將大量的前處理工作隱式化，作為軟件底層的基本功能，對于操作者并不需要去關注。是真正面向了結構工程師的一個助手軟件，另外由于對cae仿真的認識仍不夠成熟，目前國內目前對cae技術存在著許多誤解，相信隨著cae技術的普及，今后cae仿真將有大展拳腳的一天。

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