基于CATIA與ANSYS的履帶機器人擺臂支撐板有限元分析

（吉林大學 機械科學與工程學院，吉林 長春 130022）

基于CATIA與ANSYS的履帶機器人擺臂支撐板有限元分析

赫修智

（吉林大學 機械科學與工程學院，吉林 長春 130022）

本研究以有限元分析方法為基礎(chǔ)，對比分析CATIA實體建模與ANSYS實體建模，運用CATIA 三維軟件建立擺臂支撐板實體模型，運用ANSYS軟件對導入的實體模型進行有限元分析。綜合運用CATIA建模優(yōu)勢與ANSYS靈活的有限元分析處理，從而為機械結(jié)構(gòu)設(shè)計提供準確的應(yīng)力分析，對機械優(yōu)化設(shè)計有一定的參考意義。

擺臂支撐板；有限元分析；CATIA；ANSYS

ANSYS是一款集結(jié)構(gòu)、流體、熱、電磁、聲學于一體的大型通用有限元分析軟件。ANSYS軟件可進行結(jié)構(gòu)分析、熱分析、電磁分析、流體分析、耦合分析、優(yōu)化設(shè)計、接觸分析以及實現(xiàn)利用ANSYS參數(shù)設(shè)計語言的擴展宏命令的功能。CATIA是有法國達索公司研發(fā)的一款廣泛應(yīng)用于航空航天、機械制造、造船、電子等行業(yè)的三維實體建模軟件。同UG、PRO/E相比，CATIA的操作界面更加直觀，具有強大的三維復雜曲面造型功能，并采用了混合建模技術(shù)，使建模過程更加靈活和高效。

擺臂支撐板是履帶機器人擺臂結(jié)構(gòu)的重要組成部分，起到支撐擺臂，保證擺臂平穩(wěn)運動的作用。分析擺臂支撐板在受載的情況下的應(yīng)力情況，可以更好的改進擺臂的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計目的。本文以擺臂支撐板為例，運用CATIA建立三維實體模型，并運用ANSYS對其進行有限元分析。與直接用ANSYS建模相比，提高了建模速度，縮短了設(shè)計周期。同時，可以將該方法應(yīng)用在如裝載機動臂、曲軸等復雜的結(jié)構(gòu)的有限元分析工作中。

圖1 履帶機器人擺臂示意圖

1 CATIA與ANSYS的實體建模比較

1.1 ANSYS實體建模

ANSYS提供了兩種實體建模的方法：自上向下建模法和自底向上建模法。

自上向下建模法是指從一開始就從線、面、體等較高級的圖元構(gòu)造模型的方法。ANSYS軟件在生成一種體素時，程序會自動生成所有屬于該體素的關(guān)鍵點、線、面等較低級圖元。

自底向上建模法是指由建立模型的最低單元的點到最高單元的體來構(gòu)造模型的方法。也就是先創(chuàng)建關(guān)鍵點，然后利用關(guān)鍵點定義線、面、體等較高級圖元。

除此之外，還可以用布爾運算操作、拖拉、扭轉(zhuǎn)、移動、復制等操作完成實體建模。

1.2 CATIA實體建模

CATIA中創(chuàng)建零件三維建模的方法十分靈活，大體分為三種：先創(chuàng)建基礎(chǔ)特征，然后再此基礎(chǔ)上添加其他一些特征；由曲面生成零件三維實體模型；從裝配圖中生成零件三維實體模型。絕大多數(shù)的零件三維實體模型設(shè)計都采用的是第一種方法。

1.3 對比

ANSYS實 體建模存在以下幾個缺點：

1）自底向上建模是在激活的坐標系上定義的，自上向下建模是在工作平面內(nèi)建立的，二者不可混淆。如果混合使用兩種技術(shù)，還要考慮強迫坐標系隨著工作平面進行變化。這就無疑增加了建模的復雜程度，增大了設(shè)計人員的工作量。

圖2 擺臂支撐板的CATIA三維模型

圖3 前擺臂輪落地示意圖

圖4 導輪落地示意圖

2）實體建模需要花費較多計算時間。

3）操作過程中不能隨意的進行撤銷，需要每做一步，用SAVE DB進行保存。一旦忘記保存，可能因為做錯一步，而導致建模失敗，甚至重新建模。

相比之下，CATIA在建模過程中可以進行多步驟撤銷；進行約束建模，一定程度上省去了用輸入坐標的方式建模，簡化了建模過程；CATIA中形象化的圖標使建模界面更直觀。因此，使用三維實體軟件進行建模，更利于縮短建模時間，從而縮短整個設(shè)計周期。

2 有限元分析

2.1 前處理

2.1.1 模型的建立與導入

圖5 導輪落地時徑向位移圖

圖6 導輪落地時應(yīng)力云圖

圖7 前擺臂輪落地時徑向位移圖

圖8 前擺臂輪落地時應(yīng)力云圖

利用CATIA的零件設(shè)計模塊，根據(jù)擺臂支撐板的參數(shù)，進入零件設(shè)計工作平臺，建立基礎(chǔ)特征，然后逐步建立其他特征，最終完成準確的實體模型建立，如圖2所示。然后將基于CATIA建立的擺臂支撐板模型導入到ANSYS中。導入后的模型不是以實體的形式呈現(xiàn)的，而是由線條構(gòu)成的。此時可以運行PlotCtrls/Style/Solid Model Facets命令，選擇Noraml Facting，然后再運行Plot/Volume命令，就可以顯示體、面元素。

2.1.2 單元屬性定義及網(wǎng)格劃分

實體創(chuàng)建完之后，需要對實體的單元屬性進行定義，它是進行網(wǎng)格劃分的前提，其目的是控制節(jié)點以及單元體的顯示特征。單元屬性定義包括:材料屬性、單元類型、實常數(shù)等。由于擺臂支撐板在攀爬、越障時會受到?jīng)_擊載荷，所以選擇的材料為低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼Q345D，其屈服強度為345MPa，抗拉強度470-630MPa，泊松比為0.3，彈性模量206GPa。本文分析的擺臂支撐板為三維實體，故選擇solid45進行單元類型定義即可。

進行有限元分析很重要的一步就是網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格過大會導致分析后的結(jié)果不夠精確；網(wǎng)格過密又會增加計算時間，所以在網(wǎng)格劃分時對劃分網(wǎng)格的大小要有一定把握。本例中由于支撐板模型較為簡單，可選擇智能網(wǎng)格劃分即Smart Size。

2.2 求解及后處理

完成前處理的工作之后，可以對模型進行求解。有限元分析的主要目的就是分析結(jié)構(gòu)在一定載荷條件下的響應(yīng)情況。因此，施加載荷是分析中關(guān)鍵的一步。在ANSYS中，載荷包括邊界條件和作用力。所以在施加作用力之前，需要先對模型進行邊界條件的約束。本例中，擺臂支撐板在落地時分為兩種情況：前擺臂輪落地和導輪落地。如圖2-2、2-3所示。

當前擺臂輪落地時，支撐板前端即圖2-1中支撐板右側(cè)開口處，受沖擊載荷。圖2-1中支撐板左側(cè)與車體同軸，此時需施加約束，限制其自由度。在支撐板前端施加載荷。

當導輪落地時，導輪處受沖擊載荷。同樣的，需在支撐板左側(cè)施加約束。此時，需在導輪處施加載荷。

運行Main Menu＞Solution＞Solve＞Current LS命令，進行運算求解。求解結(jié)束后，可以查看其應(yīng)力、位移等情況。由于支撐板主要受徑向力的作用。所以，本例中直接輸出其徑向（Y向）位移和Von Mises 應(yīng)力云圖，如圖5、6、7、8所示。

由位移圖和應(yīng)力云圖可以看出，支撐板無論在哪種情況下受載時，其與車體同軸的孔均為受應(yīng)力最大處以及變形量最大處，應(yīng)力與變形量沿著支撐板向?qū)л喴粋?cè)逐漸遞減。當所受沖擊載荷逐漸加大時，此處由于應(yīng)力集中，容易發(fā)生較大變形，甚至斷裂。在優(yōu)化設(shè)計時，要充分考慮到此處應(yīng)力集中問題，在保證擺臂整體輕量化的前提下，適當增加支撐板厚度；同時，適當將緊鄰的加工孔遠離以減小應(yīng)力集中的情況。

3 結(jié)論

本文提出的基于CATIA進行三維建模，運用ANSYS軟件對模型進行單元屬性的定義，網(wǎng)格劃分，求解運算以及后處理工作。相比運用ANSYS直接建模而言，很大程度上減少了建模時間，充分發(fā)揮了CATIA的建模優(yōu)勢，與ANSYS的求解分析功能，使分析的快速性與準確性得到統(tǒng)一，為大型復雜的模型進行有限元分析提供了新途徑。

本例中，通過運用ANSYS對履帶機器人的擺臂支撐板進行有限元分析，可以更直觀的看出施加載荷后，支撐板出現(xiàn)最大應(yīng)力與最大位移的位置，為支撐板的優(yōu)化設(shè)計提供很好的參考意義；同時，綜合運用CAD設(shè)計軟件和CAE分析軟件，也是現(xiàn)代設(shè)計的整體趨勢，對機械結(jié)構(gòu)等設(shè)計具有重要的指導意義。

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