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焊接机器人整体结构的有限元实例讲解

时间：2017-11-09 来源：机器人在线阅读：8563

焊接机器人整体结构的有限元分析

1引言

有限元法(Finite Element Method, FEM)是理论基础非常坚实的数值分析方法，由于其通用实践性较强，因此在最近的几十年里得到了迅速的发展，它已经从最初的结构力学和固体力学应用领域逐渐扩展到了传热学、流体力学、电磁学等领域当中。目前由于各种大型的分析软件的推出与其他计算机辅助技术软件的快速发展，在工程实际数值仿真中也逐渐采用了有限元法。

本章将会对结构有限元这一个数值分析法以及在机械行业中有限元法应用的实例进行简单的讲解，通过对经济型焊接机器人的整体结构进行有限元分析，针对有限元分析过程中一些影响分析精度的步骤进行分析研究，为经济型焊接机器人大臂的有限分析与研究做好前期准备工作。

2有限元法在机械系统中的应用现状

有限单元法是处理结构相对复杂零件的力学分析的最有效的方法，也是目前工程应用中应用性最强、使用率最高、使用范围最广泛的一种数值计算方法。它的基本思想就是运用许多个适合的微小单元在连续的求解区域进行任意地划分，并在每

一个小结构区域都插入一个函数，以所学的极值为理论基础，用所有被控制的单元的有限元方程来代替急需解决的问题的微分方程，这时求解出来的每个微小单元的极值总和就是整体的极值，最后把局部单元的进行总体合成。

1960年美国一位名叫Clough R. W的学者在他的论文《平面应力分析的有限元法》中首先运用了“有限元法”这一名词。经历了半个世纪的发展，有限元法的应用领域也不断的进行拓展，它已开始涉及到稳定问题、波动问题、板壳问题、动力问题、空间问题等问题的解决。

有限元法是现代设计方法中软件发展最完善、应用性最广的一种方法。伴随着全球信息技术的飞速发展，在机械结构的设计中也常常应用到有限元法，因此有限元法的应用领域逐渐拓展到航天业、制造业、石油化工等各种工业领域当中，这就使传统意义上的结构设计发生了本质上的改变。目前有限元分析技术可以分为两大类，第一类就是关于静力学的分析，其主要分析结构在静力作用下的应力与应变情况;第二类是关于动力学的分析，其主要计算的是结构的动态特性的参数，还有在动载荷作用下的应力与挠度。

在目前所有基于有限元分析的软件中，ANSYS的功能是比较全面的、实用性也非常高，它可以对任意大型的复杂的结构进行建模，也可以对其进行动力学与静力学分析，还可以真实地反映出复杂材质特性与结构特性对整个分析结果的影响。ANSYS在各种工程领域的广泛应用已经表明它是可以为机器人整体或者是局部刚度，零部件的强度等方面的研究提供了有效的分析方法和途径，因而证明ANSYA是可以对机器人结构的可靠性进行研究和验证的。

本文采用的有限元分析软件是ANSYS Workbench, ANSYS公司提出的Workbench是一个协同仿真环境，它与其他三维建模软件之间存在无缝连接接口，可以避免CAD模型导入软件中出现的丢线、丢面或者去体的现象，由于ANSYS Workbench结合了ANSYS核心产品求解器，因此它在模型的处理、划分网格、后处理功能等方面都有着较大的优势。ANSYS Workbench对工程项目的流程管理采用的是项目管理工具，构造分析系统也是以图表的流程进行的，它可以激活程序并且使得每个应用程序的界面得以独立。ANSYS Workbench实际上就是利用ANSYS来求解实际问题的新一代产

品，Workbench的环境为CAD系统和用户的仿真设计提供了全新的集成平台，这个工作台可以组成各种不同的工程应用功能。