【《某管道巡检机器人三维建模与有限元分析案例》1800字（论文）】

某管道巡检机器人三维建模与有限元分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u4200某管道巡检机器人三维建模与有限元分析案例 1172171.1三维建模 1311251.1.1三维建模方法 1197571.1.2驱动单元的三维建模 213071.1.3检测单元的三维建模 2168601.1.4控制单元的三维建模 3102211.1.5总装配图的三维建模 37531.2有限元分析 4255191.2.1有限元分析步骤 4245211.2.2主要零部件分析 4通过对驱动、检测、控制单元受力情况以及关键零部件的设计计算，基本确定管道巡检机器人的零件尺寸，可以开始对机器人进行三维建模。在本次设计中，首先计算出相关零件的尺寸并校核强度，建模过程采用Solidwork软件，对所有零部件进行三维建模。可以实现较为复杂的装配体建造，并可以将核心零件模型导入ansys软件中直接进行有限元分析。1.1三维建模三维建模是整个设计项目中极其重要的一部分，在确定零件的基本尺寸后，才能进行设计方案的进一步研究，包括控制系统的设计和关键零件的有限元分系以及运动仿真。1.1.1三维建模方法在本次研究设计中，三维建模采用基于特征建模的思路。其意思是用更高纬度、更具工程意义的三维特征来描述零件。其优势在于：（1）特征建模着眼于更好的表达产品，从最终用户的体验、生产准备、工程项目合作的难易出发，自上而下的设计建模，可以保证最终产品更具人性化，使用感更好。（2）有助于推动整个行业加工流程的规范化和标准化，在最初就考虑加工可能存在的问题，保证机械结构的工艺性更好。（3）有助于协调加工中各个部门的沟通，使得后期产品优化升级改进更为简易。1.1.2驱动单元的三维建模驱动单元主要由驱动单元外壳，电池，支撑腿构成等零件装配而成。采用6只对称支撑腿的结构，来平衡驱动单元的动力，且前后各放置一个支撑腿，增大驱动力。支撑式驱动主要有以下优点：（1）支撑式驱动单元，通过支撑腿的收起展开，获得很强的越障能力，以应对管道内多种多样的障碍物。（2）支撑腿处的恒力弹簧，可以跟随管径调整伸展度，以适应各种复杂的环境与管径。（3）前后各一个驱动单元的设计，可以增强整个机械结构的稳定性和爬坡能力。图4-1支撑式驱动单元1.1.3检测单元的三维建模检测单元由机械硬盘、红外摄像头、超声波检测器等装配而成。是管道巡检机器人的核心组成部分，是其他部分主要服务的单元，用以检测管道内的各种情况，并采集存储信息。图4-2检测单元1.1.4控制单元的三维建模控制单元使用西门子S7-224PLC型芯片对驱动单元和检测单元进行控制，其结构示意图如图4-3所示。图4-3控制单元1.1.5总装配图的三维建模总装配使用Bottom-up的装配方法，由小到大逐步完成装配。在从左至右的装配过程中，由小零件搭载成基本单元，最终由四个基本单元组成总装配体，两个驱动单元带动中间部分的检测单元和控制单元行动，在管道中完成作业。图4-4总装配图1.2有限元分析有限元分析是基于材料力学分析迅速发展起来的一种新兴的现代分析方法。他通过将零件整体离散为细小单元的组合体，细小单元的特性按照刚体考虑，从而使一个连续不可计算的问题变成离散可计算的问题1.2.1有限元分析步骤本次设计采用ansys软件对主要零部件进行有限元分析，保证各结构在机器人作业过程中有足够的强度，分析步骤如下：（1）确定零件结构，列出分析方案。（2）将需要分析的零件离散并确定零件的单元类型和材料种类。（3）建立材料模型。（4）约束材料自由度并施加载荷。（5）划分零件网格。（6）进行分析。1.2.2主要零部件分析通过ansys软件对关键的零部件进行有限元分析，同时进行应力应变云图，可以保证管道巡检机器人的各零件能正常工作。（1）橡胶轮橡胶轮主要承载机身的全部压力，受车身重量的影响对橡胶轮下表面施加120N的压力，分析其应力应变云图，从图中可以看出最大应力为115.42N/m2应变为5.810-11近似于0可忽略不计，零件无明显变形，满足管道巡检机器人使用要求。图4-5橡胶轮有限元分析（2）橡胶轮轴橡胶轮通过橡胶轮轴和机体相连接，承载整个机身重量所造成的剪切应力，固定轴两端并对与橡胶轮接触下表面施加120N的正压力。通过结果可知其应力为162.96N/m2应变为2.1*10-12趋近于0可忽略不计，剪切处应力集中不明显，对其钢材剪切强度，无切断可能，整体零件无明显变形，满足管道巡检机器人使用要求。图4-6橡胶轮轴有限元分析（3）控制单元外壳控制单元外壳为中间的被动件，承受驱动单元对其施加的拉力，对连接处施加200N的拉力分析。通过结果可知其应力为162.96N/m2应变为2.1*