剪叉式升降机构剪叉臂的静力分析与优化

摘要：剪叉式升降机构作为运载机器人运动过程中主要的受力部件，其强度、刚度等力学特性在一定程度上也会影响运载机器人的性能。为清楚的显示构件各个位置详尽的应力、应变分布。本文将以现代化设计方法中的有限元方法为基础，对剪叉臂进行静力分析，并建立优化模型，从而实现“轻量化”节省材料，提高经济性的目标。

引言

有限元方法（FEM，Finite Element Method）是现代数字化科技的一种重要基础性原理，是工程设计和分析的可靠工具，它基于变分法发展起来求取复杂微分方程近似解非常有效的工具，已经成为求解工程问题的通用数值方法。FEM可以对任意复杂几何形状变形体在复杂外力作用下它内部准确的位移、应变、应力三种力学信息。在力学分析的基础上，设计人员便可以对所设计对象进行强度、刚度等进行评判，以便修改对设计中不合理的参数，得到相对优化的方案；最后，对修改方案再次进行力学评判和校核分析，确定相对优化方案的合理性。FEM处理的对象和力学问题也较为广泛既可以为杆梁结构，也可以是连续体；既可对受力对象进行静力分析，也可以完成动力学方面的分析。

1 剪叉臂的静力分析

1.1几何建模

使用自下而上的建模方式，即先定义关键点，再逐级定义更为高级的对象。同时，为保证使用映射网格对剪叉臂进行划分，采用分块建模的方式，对实体的几何域进行离散，完成模型的建立。

1.2网格划分

本文使用映射网格划分，相对于ANSYS中的另一种划分方式——自由网格划分，映射网格划分要求更高，对单元形状有限制，必须满足特定的规则。而且映射划分的得到的单元具有规则的形状，网格明显成排，计算得到的精度更高。通过在划分过程中进行尺寸控制得到网格划分效果。

1.3边界条件与力的施加

通过模拟轴孔接触时产生的余弦压力施加与上下铰点与销轴处；边界条件的设置为将两端固定，上铰点处余弦压力效果如图1：

1.4结果分析

从图2可以得出剪叉臂发生最大应变的地方为中间销轴附近区域，在该工况下最大应变数值为0.37mm。而剪叉臂整体应力数值均不不超过材料的屈服强度，且数值偏低，最大应力的位置发生在上铰点的角隅处，数值为83.54MPa。

2 基于静力计算的剪叉臂结构优化

剪叉臂优化模型如下：剪叉臂总厚度为设计变量T1，剪叉臂铰接端厚度为设计变量T2，以使用过程成中最大应力不超过160Mpa，剪叉臂体积V为目标函数，即：

由于最优设计时T1=30.859mm，T2=10.845mm，结合实际生产取值T1=30.9mm，T2=10.8mm，优化后剪叉臂体积V则由2.03E7mm3下降到1.57E7mm3，整体受力结果如图3所示：

3 总结

本文以有限元方法为基础，建立了剪叉臂的优化模型，对剪叉升降平台关键构件剪叉臂进行了静力分析，通过剪叉臂的应力分布可知其最大应变数值为0.37mm，最大应力的位置发生在上铰点的角隅处，数值为83.54MPa，此处有应力集中的现象。通过以体积为目标函数，各项力学性能为约束条件建立优化模型，剪叉臂体积V则由2.03E7mm3下降到1.57E7mm3。减少了材料的使用，提高了经济效益。

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