管道检测机器人关键部件的静力学分析及优化设计

沈巍，楼飞

(南京师范大学中北学院，江苏 南京 210046)

1 关键部件选取及模型导入

本文选取管道检测机器人关键杆件作为分析对象，它在手臂的机构中起到了传递运动及动力的作用。在进行网格划分之前，需要定义材料的属性，这里采用Structural steel作为大臂的材料，并将实体模型保存副本为X_T格式，导入至ANSYS Workbench中[1]。

2 关键杆件的静力学分析

网格划分是整个前处理，甚至是整个有限元分析的重点，网格划分的优劣直接影响到整个有限元分析的结果。关键杆件的网格划分如图1所示。

图1 关键杆件的网格划分

图2 模型添加载荷图

由图1可以看出，各个相连的单元体能够共节点，网格质量良好，达到了分析的要求，能够进行后续的分析。进行载荷以及约束的添加，如图2所示。在完成所有的前处理工作后，再在Solution模块添加需要获取的分析结果，进行求解，得出相应的分析云图，如图3所示。

图3 模型的等效应力云图

从上述图中可以发现，关键杆件所受到的最大等效压应力为59.6MPa，发生在杆件的铰接处,压应力远小于杆件所用材料结构钢的许用值，从而肯定了设计的正确性。

3 关键部件的优化设计

由之前对关键杆件的静力学分析可知，其刚度、强度远远优于性能要求，有很大的优化空间，在保证安全性的前提下，尽可能地减轻重量。对于关键杆件，将其与下一杆件的铰接处的外圆直径定义为ds_1，宽度定义为ds_2。

本文运用DesignXplorer(DX)模块对研究对象进行优化设计，采用的是目标驱动优化设计(Goal- Driven Optimization)的方法，该方法可以实现多目标优化，并可以获得关于目标参数的“最优”方案[1]。在Workbench中进行优化的步骤为：运用DM模块建模或是通过Workbench中的外部CAD接口进行模型的导入，在DS模块分析模型；在DX模块中进行优化设计，生成满足条件的设计组合；将优化后的数据传回DM模块、DS模块或是CAD中，方便进行详细设计分析[2]。本文通过Workbench与Solidworks的无缝连接实现模型尺寸的参数化，在Solidworks中完成模型的参数化设计修改，在需要优化的尺寸前加上“ds_”前缀，以便于Workbench识别，然后通过Solidworks和Workbench之间的无缝连接接口进行数据的传输。

候选的优化方案中的设计点数据如图4所示。在A、B、C三个候选方案中，方案 C在最大等效应力方面略高于候选方案A和B，但仍完全符合安全性要求。它在节约材料，减小尺寸方面远优于A和B。在方案 C中，杆件可以获得更小的宽度，且质量最轻。所以，选择它作为最终的优化方案，优化后关键杆件的参数：ds_1由100mm降为96.5mm，ds_2由100mm降为90.413mm，质量由19.479kg变为17.887kg，减轻了8.17%。虽然其最大应力值略有增加，但其刚度、强度仍完全符合安全性要求，达到了不错的减重效果。

图4 Optimization编辑界面视图