聯(lián)合采伐機(jī)六足行走裝置單足力學(xué)解算與分析

楊衛(wèi)杰　孟兆新　秦國(guó)新

摘要：聯(lián)合采伐機(jī)等重型機(jī)械都需要靈活而又穩(wěn)定的行走裝置，本文設(shè)計(jì)的六足行走裝置就是為了滿足聯(lián)合采伐機(jī)等林業(yè)機(jī)械在山地、坡地等特殊地形的爬行和越障要求。單足是六足行走裝置中的重要組成部分。根據(jù)六足行走裝置的受力特點(diǎn)，將其受力情況進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，進(jìn)而進(jìn)行機(jī)構(gòu)的正解算，得到力學(xué)參數(shù)，然后利用UG軟件對(duì)聯(lián)合采伐機(jī)的六足行走裝置進(jìn)行三維建模，再利用ANSYS對(duì)部分零件進(jìn)行有限元分析，得到單足的各個(gè)零件的變形圖和應(yīng)力圖，最后根據(jù)單足各個(gè)零件的變形程度和應(yīng)力分布狀況，確定出最大變形量和最大應(yīng)力，將最大值與許用值進(jìn)行比較，從而校核其強(qiáng)度。通過(guò)分析和比較的得到最大值小于許用值，說(shuō)明單足零件能夠滿足在假設(shè)條件下的強(qiáng)度要求。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)巫悖涣W(xué)分析；有限元分析

中圖分類號(hào)：S 776.33文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-005X（2015）01-0066-04

The Mechanics Calculation and Analysis of a Single Foot within

the Six Legged Walking Device of Combined Harvesting Machine

Yang Weijie1，2，Meng Zhaoxin1*，Qin Guoxin1

（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040；

2.School of Mechanical Engineering Automation，Beihang University，Beijing 100191）

Abstract：A flexible and stable walking device is required in heavy machines such as combined harvesting machine.This paper is designed to satisfy the needs of walking of the combined harvesting machine in the mountain，slope and other special crawling terrain.Single foot is an important part in the six legged walking device.Based on the stress characteristics，the stress is simplified，and then the mechanism of positive solution，mechanics parameters are obtained.The UG software is used to present the threedimensional model of six legged walking device，then ANSYS is used to illustrate the finite element analysis of the parts and the stress diagram and the strain diagram of the single foot can be obtained.According to the degree of deformation of single foot and the distribution of stress，the maximum deformation and the maximum stress can be determined.By comparing the maximum allowable values with the maximum data，we find that the single foot can meet the strength requirements under the necessary conditions.

Keywords： single foot；mechanics analysis；finite element analysis

收稿日期：2014-06-24

基金項(xiàng)目：黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（C201238）

第一作者簡(jiǎn)介：楊衛(wèi)杰，東北林業(yè)大學(xué)本科，北京航天航空大學(xué)碩士研究生。研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。Email：jixieshejiywj@163.com

*通訊作者：孟兆新，博士，教授。研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。Email：349325368@qq.com

引文格式：楊衛(wèi)杰，孟兆新，秦國(guó)新.聯(lián)合采伐機(jī)六足行走裝置單足力學(xué)解算與分析[J].森林工程，2015，31（1）：66-70.目前在國(guó)內(nèi)聯(lián)合采伐機(jī)械的研制仍處于初級(jí)階段，很少有關(guān)聯(lián)合采伐機(jī)的科研，有一小部分也進(jìn)展緩慢，無(wú)法積極投入市場(chǎng)，特別需要大量的人力和物力投入?？萍忌系木窒扌砸呀?jīng)嚴(yán)重限制到我國(guó)在多功能機(jī)械方面上的研究。上世紀(jì)曾進(jìn)行過(guò)此類機(jī)械的引進(jìn)和吸收，但很多研究都沒(méi)有得到進(jìn)一步的加深。對(duì)于適應(yīng)我國(guó)林業(yè)狀況的自動(dòng)化設(shè)備的成果較少。雖然近年來(lái)我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能控制技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域飛速發(fā)展，但是這些先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)在林業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用也很落后[1]。在重型底盤(pán)的研究也很少。大多采用履帶式和輪式的很少有采用六足行走的。對(duì)六足行走裝置的單足部分的力學(xué)分析和有限元校核是十分必要的。本文應(yīng)用UG進(jìn)行三維建模，并利用三維圖生成二維工程圖，最后利用AutoCAD二維軟件對(duì)工程圖進(jìn)行完善。然后通過(guò)ANSYS軟件進(jìn)行有限元的校核。

1力學(xué)解算

六足行走機(jī)器人以機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和程序控制兩部分為主[2]。本設(shè)計(jì)主要對(duì)其進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于受外界環(huán)境中外力和地面障礙物的影響，使機(jī)器人的穩(wěn)定性受到影響[3]。本設(shè)計(jì)中是通過(guò)三足支撐的，只要重心落在三角形范圍內(nèi)就能保證其穩(wěn)定。六足行走裝置主要由六條單足，兩個(gè)架體（上、下架體）和平衡機(jī)構(gòu)組成。每條單足由基節(jié)、肱節(jié)、脛節(jié)三部分構(gòu)成[4]。架體都是有45號(hào)20a型的工字鋼焊接而成的。平衡機(jī)構(gòu)是由桿組構(gòu)成的。每條腿均有三個(gè)自由度[5]。它解決了輪式和履帶式行走機(jī)構(gòu)對(duì)復(fù)雜路面、非結(jié)構(gòu)性環(huán)境通過(guò)性差等問(wèn)題[6]。其原理簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1六足行走裝置原理簡(jiǎn)圖

Fig.1 Schematic diagram of six legged walking device

考慮到架體距離地面的高度情況，將肱節(jié)的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為1 000 mm，將脛節(jié)的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為1 650 mm。

第1期楊衛(wèi)杰等：聯(lián)合采伐機(jī)六足行走裝置單足力學(xué)解算與分析

森林工程第31卷

單足脛基是與地面直接接觸的部分，直接承受著地面對(duì)其的作用力。整個(gè)機(jī)器重2 t，采用的是三點(diǎn)支撐，故每個(gè)單足承受的力是20 000/3 N。單足脛基又是比較長(zhǎng)的部分，屬于細(xì)長(zhǎng)桿，故對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到壓桿穩(wěn)定問(wèn)題，然后在校核其應(yīng)力、應(yīng)變。

單足的力學(xué)模型如圖2和圖3所示。

圖2單足受力分析圖

Fig.2 Single foot force diagram圖3受力簡(jiǎn)化圖

Fig.3 Simplified diagram of stress

對(duì)單足脛基的壓桿穩(wěn)定問(wèn)題考慮如下：

材料為45鋼，其E=200GPa，σp=280MPa，σs=350MPa，承受軸向壓力F=6.667kN。若nst=5，校核連桿的穩(wěn)定性。

假定其為細(xì)長(zhǎng)桿，則Fcr=π2EI（0.7l）2。

因?yàn)镕cr≥nst·F=5×6 670=33 350 N，所以Fcr=π2EI（0.7l）2≥33 350 NI≤2 256.16。

故取桿的截面幾何形狀為長(zhǎng)方形，其中長(zhǎng)為100 mm，寬為90 mm。

此時(shí)，壓桿在i最小的縱向平面內(nèi)抗彎剛度最小，柔度最大，臨界應(yīng)力將最小[7]。因而壓桿失穩(wěn)一定發(fā)生在壓桿λmax的縱向平面內(nèi)：

λmax=μlimin=0.7×1 6506.075×106=1.9×10-4。

而λp=πEσP=π200×109280×106=83.92；

λs=a-σsb=416-3502.568=43.2。

式中：λs為柔度下限值；λp為柔度上限值；a為工程材料參數(shù)；b為工程材料參數(shù)。

因?yàn)棣薽ax<λs，此壓桿屬小柔度桿。

σcr=σs=350MPa。

Fcr=Aσcr=100×90×350N=315×104N=3 150kN。

n=FcrF=3 1506.67=472>nst。

所以此壓桿穩(wěn)定。

單足肱節(jié)的壓桿穩(wěn)定性校核如下：

λmax=μlimin=0.7×1 0005.468×106=1.28×10-4。

而λp=πEσP=π200×109280×106=83.92。

λs=a-σsb=416-3502.568=43.2。

因?yàn)棣薽ax<λs，此壓桿屬小柔度桿。

σcr=σs=350MPa。

Fcr=Aσcr=90×90×350N=2 835×103N=2 835kN。

n=FcrF=2 8356.67=425>nst。

所以此壓桿穩(wěn)定。

2建立模型

考慮到加工工藝和零件的特殊性，在保證總體尺寸的情況下將局部進(jìn)行圓滑過(guò)渡和近似尺寸[8]，進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)得到工程圖如下圖4和圖5所示。

圖4單足肱節(jié)工程圖

Fig.4 Single foot humeral section drawings

圖5單足脛節(jié)工程圖

Fig.5 Single foot to tibia engineering drawings

利用UG進(jìn)行三維建模。單足各部分三維建模如下圖6和圖7所示。

圖6單足肱節(jié)圖

Fig.6 Single foot humeral section diagram圖7單足脛節(jié)圖

Fig.7 Single foot to tibia diagram

3網(wǎng)格劃分

利用UG將文件生成實(shí)體模式，再將實(shí)體導(dǎo)入到ANSYS中，完成有限元中的三維建模。實(shí)體模型采用Solid185單元。它為三維八節(jié)點(diǎn)的實(shí)體。采用45號(hào)鋼[9]。材料的彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，密度為7 800 kg/m3 。在ANSYS中采用常用的自由劃分的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分[10]。如圖8和圖9所示。圖8單足肱節(jié)網(wǎng)格劃分

Fig.8 Single foot humeral section mesh圖9單足脛節(jié)網(wǎng)格劃分

Fig.9 Single foot to tibia mesh

4有限元分析

該單足在行走過(guò)程中起到支撐穩(wěn)定的作用，在六足每行走一次都有三個(gè)單足進(jìn)行三角形支撐，只要重心落下次三角形內(nèi)，該裝置將會(huì)保持穩(wěn)定狀態(tài)。在瞬時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)下其中的肱節(jié)和脛節(jié)分別處于二力桿狀態(tài)且處于擠壓狀態(tài)。所以在施加載荷時(shí)對(duì)其兩端鉸接部分中的上部分施加向下的均勻面載荷，下部分施加向上的均勻面載荷。其值大小為20 000/3N。施加完載荷后，進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算完成后，在一般后處理中查看單足肱節(jié)和單足脛節(jié)的位移圖和應(yīng)力圖。如圖10～圖13所示。

圖10單足肱節(jié)位移圖

Fig.10 Single foot humeral section displacement map圖11單足肱節(jié)應(yīng)力圖

Fig.11 Single foot humeral section stress

圖12單足脛節(jié)位移圖

Fig.12 Single foot tibial displacement map圖13單足脛節(jié)應(yīng)力圖

Fig.13 Single foot to tibia stress

5結(jié)論

本文通過(guò)簡(jiǎn)化模型，利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析得到相應(yīng)的位移云圖和應(yīng)力云圖，進(jìn)而校核其強(qiáng)度。通過(guò)觀察知道強(qiáng)度滿足要求。主要完成以下任務(wù)。

（1）結(jié)合國(guó)內(nèi)外六足機(jī)器人發(fā)展?fàn)顟B(tài)與林用采伐機(jī)工作環(huán)境，確定了六足行走裝置、升降機(jī)構(gòu)、平衡機(jī)構(gòu)組合的結(jié)構(gòu)。

（2）進(jìn)行了六足行走裝置的本體設(shè)計(jì)，升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，平衡機(jī)構(gòu)組合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本。利用UG進(jìn)行了三維建模，并生成了二維工程圖，利用CAD進(jìn)行修改最終完成任務(wù)。

（3）對(duì)關(guān)鍵零件運(yùn)用有限元技術(shù)進(jìn)行了校核，結(jié)果強(qiáng)度符合使用需求。

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[責(zé)任編輯：李洋]