【《某四足消防机器人结构校核计算与仿真分析案例》4000字（论文）】

某四足消防机器人结构校核计算与仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u13850某四足消防机器人结构校核计算与仿真分析案例 1284021.1.腿部零件材料力学计算 190281.1.1.小腿结构的材料校核 11781.1.2.大腿结构的材料校核 3298011.2.零件连接处的螺栓校核 4173291.2.1.大腿与电机连接处的螺栓强度校核 4110721.2.2.大腿与小带轮轴连接的螺栓强度校核 6139011.3.重要零部件在ANSYS软件仿真校核 7189881.3.1.机身的软件仿真 7166221.3.2.大腿的软件仿真 944091.3.3.小腿的软件仿真 10244661.3.4.其他零部件的软件仿真 12腿部零件材料力学计算小腿结构的材料校核由第3章计算可以知道腿部的受力情况，本次计算情况为两条腿着地，如下图所示，Fa=Fb=458N，θ=65°，LAB=280mm。以上为小腿受力情况参数，小腿由腿部加爪子构成，爪子为橡胶材质，小腿为实心，选材为铝合金7075，其材料参数见下表5-1所示。铝合金7075其特点为结构较为紧凑，耐腐蚀性能强，多被用于航空，其耐磨性表现很好。图5-SEQ图5-\*ARABIC1小腿受力分析图表5-SEQ表5-\*ARABIC1铝合金7075材料性能材料性能抗拉强度0.2%屈服强度弹性模量硬度密度铝合金7075524MPa455MPa71GPa150HB2.81g/cm3由受力分析图可知，该小腿零件所受的力最容易造成弯曲强度破坏，故对其材料结构分析，首先计算其应力学各项参数。其剪切应力先计算剪切力Fs，Fs=Fa×cos14°=458N×0..97=444.39N。由剪切应力计算公式，本次小腿横截面为矩形，故其计算公式为στ其中A为横截面积，本次小腿最细处的横截面积为8mm×40mm，其对应的剪力距B端为95mm，故其剪力计算为Fs1=444.39×95140带入剪力Fs1与面积A=0.008×0.04=3.2×10-5m2，可得其剪切应力最大值为στ其安全系数设为1.5，故最大剪切应力为στmax=στ×1.5=18.84MPa<[再计算小腿所产生的弯曲强度，由弯曲强度计算公式σ=MmaxW式中Mmax为扭矩，Wz为抗弯截面系数，其矩形界面对应的系数Wz为WZ其中b、h为对应的矩形截面的长宽大小，bmin=0.008m，hmin=0.04m。扭矩最大值Mmax存在于膝关节连接处，也是面积最小处，其数值为444×0.28×cos14°=124NM,故带入数值得σ1max=58.125MPa，再乘上安全系数1.5，最终小腿所受的弯曲强度的最大值为87.12MPa小于其许用弯曲强度值。大腿结构的材料校核大腿的处受力分析也是从第3章已经单独拆分算出，由于大腿是由电机直接驱动，故受力就如下图所示，由前文已知Fb=Fc=458N,β=40°，LBC=280mm，大腿壳横截面也是矩形，同理选材为铝合金7075，其参数见表5-1。图5-SEQ图5-\*ARABIC2大腿受力分析图大腿壳的薄弱面在B端，且该处剪切力为最大值，故对该处进行强度校核。故首先计算其在B端的剪切力FS2:FS2=Fb×sinβ=294.39N（5-4）再计算其横截面积A:A=0.05482×0.008=4.4×10-4m2（5-5）其剪切应力由矩形选择公式（5-1），本次安全系数为1.5，故其剪切应力στmax=στ×1.5=1.02MPa<[由公式（5-2）可知，校核弯曲强度先计算抗弯截面系数Wz，由式（5-3），大腿其长宽系数为b=0.055m，h=0.008m，带入计算可得抗弯截面系数Wz=5.87×10-7。且大腿处B端扭矩计算可得MB=Fb×LBC×sinβ=458cheng50.28×sin40°=82.43NM（5-6）再由弯曲强度计算公式（5-2）可得大腿弯曲强度最大值σ2max=61.82MPa。其值小于铝合金7075许用弯曲强度值。零件连接处的螺栓校核本次设计的四足消防机器人零部件主要是通过螺栓连接以及螺钉连接，重要连接部分为电机1与电机2之间的髋关节紧定螺钉连接、大腿与电机3之间的螺栓连接、电机2与电机3之间的螺栓连接以及大腿与小带轮所采用的沉头螺钉连接。大腿与电机连接处的螺栓强度校核大腿处的螺钉连接，初步选取的螺钉4.8级M4十字槽沉头螺钉，其材料参数见下表5-2所示。十字槽螺钉具有高强度的头部、非常好的对中性，适合于自动装配。其螺钉连接情况如下图所示，有受力分析初步可以判定该连接主要为受旋转力矩的螺钉组连接。表5-SEQ表5-\*ARABIC24.8级M4内六角沉头螺钉材料力学性能属性抗拉强度屈服强度布氏硬度HBW公称直径参数大小400MPa320MPa1244mm图5-SEQ图5-\*ARABIC3大腿与电机螺栓连接展示图从中可以得到被连接件的力矩平衡条件为F1r1+F2r2+...+Fzrz=T(5-7)式中Fi为工作剪力，ri为各螺钉所受的剪力Fi与该圆心相连的垂线。z为总连接个数此处为8。由受旋转力矩的螺钉组连接加强杆计算可得受力最大的螺栓所受的工作剪力为Fmax其中螺钉到受力中心的最大距离为56mm，所传动的扭矩由前面计算已知为82.43NM,且该8个螺钉分布为圆形，距离相等，带入式（5-8）中计算可得受力最大的螺栓所受的工作剪力为Fmax=184N。本次螺栓强度校核计算公式如下σ=τ=0.5式中σ、τ分别为螺钉的抗拉强度以及屈服强度，d为螺钉的公称直径。1.3为螺栓螺钉计算的安全系数。将计算结果带入式（5-9）可得大腿处每个螺钉所受的屈服强度为σ=1.3F再带入式（5-10）可计算出螺钉所受的屈服强度τ=0.5σ=9.52MPa<[经过计算比较可得大腿与电机连接合理。大腿与小带轮轴连接的螺栓强度校核小带轮处的螺钉连接，初步选取的螺钉4.8级M5十字槽沉头螺钉，其材料参数见下表5-2所示。十字槽螺钉具有高强度的头部、非常好的对中性，适合于自动装配。其螺钉连接情况如下图所示，有受力分析初步可以判定该连接主要为受旋转力矩的螺钉组连接。表5-SEQ表5-\*ARABIC34.8级M5十字槽沉头螺钉材料力学性能属性抗拉强度屈服强度布氏硬度HBW公称直径参数大小400MPa320MPa1245mm图5-SEQ图5-\*ARABIC4大腿与小带轮螺栓连接展示图此螺栓组为三个螺钉，受力情况主要为受旋转力矩，而从第三章受力分析中的计算可以得知其最大扭矩为44.99NM，且三个螺钉到圆心的距离为8.5mm，故由受旋转力矩的螺钉组连接加强杆计算可得受力最大的螺栓所受的工作剪力，由式（5-8）带入已知的参数最终计算可得最大工作剪力为Fs=661.61N。再通过螺栓强度校核公式（5-9）、（5-10）进行校核，此处选用的式M5的螺钉，故d=5mm。σ=1.3F再带入式（5-10）可计算出螺钉所受的屈服强度τ=0.5σ=21.9MPa<[经过计算比较可得大腿与小带轮连接合理。同上述方法可知小腿与小带轮所采用的螺栓连接，其受力跟大腿与小带轮连接一致，螺钉都为4.8级M5十字槽沉头螺钉，其力学性能见表5-3，由于其距圆心距离r更大，故所受的力更小，其强度校核故也能通过。重要零部件在ANSYS软件仿真校核通过将四足消防机器人零部件中受力大、较薄、重要的零部件在ANSYS软件中进行受力分析仿真，在变形图以及应力分析图中可以得出被校核仿真零部件是否变形过度、应力超出许用应力值。通过仿真可以看到机构零部件在受力时变形、等效应力变化的趋势。机身的软件仿真将所建成的装配体导入ANSYS中对其进行选材、接触面设置、划分网格、添加约束以及受力，计算最终可以得到其应力分布图和位移变形图。该模型划分网格大小为5mm。首先是对该模型进行约束力，如下图所示固定约束添加在机身两端，用以代替四足支撑机器人身体，机身的受力载荷添加则是图，下面为机身内部所受到的力设为30kg约为300N，上面两端为消防装置安装座所带来的负载设为10kg，约为100N。图5-SEQ图5-\*ARABIC5机身固定约束示意图图5-SEQ图5-\*ARABIC6机身受力负载示意图在进行计算求解便可得到机身ANSYS等效应力图、机身ANSYS仿真受压变形图。从机身等效应力图中可以观察到其机身中间板受力最大，为60MPa，在许用应力范围内。图5-SEQ图5-\*ARABIC7机身ANSYS等效应力图图为机身在整体的变形图，从图中可以看出机身整体变形中，上下两平面变形趋势都是由外到内变大，中心处变形量最大为0.0063mm，该变形量在正常波动范围内。图5-SEQ图5-\*ARABIC8机身ANSYS仿真位移变形图大腿的软件仿真大腿的仿真同上面机身仿真步骤，网格划分为3mm，首先对其固定约束，如下图，其约束在小带轮轴上，使小腿固定，大腿臂上端产生力。图5-SEQ图5-\*ARABIC9大腿固定约束示意图大腿所施加的受力载荷是由电机3的输出来完成的，故受力约束在大腿臂与电机减速装置螺栓连接的平面，为旋转，本次将所有螺栓孔与接触面都设置为7NM,总共扭矩为49NM为计算所需扭矩的1.5倍。图5-SEQ图5-\*ARABIC10大腿受力负载示意图最后进行计算求解，下图为受压变形图，从图中变形趋势可以看出，上端变形最大，最大变形量为0.077mm，在安全范围内。图5-SEQ图5-\*ARABIC11大腿ANSYS中受压变形图其等效应力仿真图如下，最大值在大腿臂与中部连接处，应力数值为158MPa，小于许用应力值500MPa。图5-SEQ图5-\*ARABIC12大腿ANSYS中等效应力图小腿的软件仿真小腿的仿真首先网格划分为5mm，在进行固定约束，小腿是在地面行走，靠膝关节带动旋转，故本次固定约束在小腿足端与地面的接触面上，如下图。图5-SEQ图5-\*ARABIC13小腿固定约束示意图其次小腿是靠膝关节的小带轮传递扭矩，故所受的载荷添加在小腿与小带轮上的6个螺纹孔上，大小为50NM。图5-SEQ图5-\*ARABIC14小腿受力负载示意图最后进行求解计算，首先观察小腿整体受压变形图，其变形趋势为上端最大，下端最小。最大处的变形量为0.3mm，在安全范围内。图5-SEQ图5-\*ARABIC15小腿ANSYS中受压变形图再看等效应力图，其应力变化趋势如下，等效应力的最大值在小腿与带轮连接的螺纹孔处，最大值为86.17MPa，小于许用应力值。图5-SEQ图5-\*ARABIC16小腿ANSYS中等效应力图其他零部件的软件仿真其余零件主要为机构中的连接件，髋关节连接件、电机并联的连接件、小带轮轴。首先为髋连接零件的仿真，划分网格大小选取3mm，该部位采用双保险形式，三处紧定螺钉固定，传动关系为A轴电机输出通过该零件使电机2实现扭转。该零件与电机2为螺纹连接，故本次固定约束在三处螺纹处，将其固定如下图所示。图5-SEQ图5-\*ARABIC17髋连接零件固定约束示意图该零件受力主要A轴电机输出带动零件轴旋转，故其受力载荷添加在该零件圆柱轴的内壁，如下图所示，其扭矩数值为30NM。图5-SEQ图5-\*ARABIC18髋连接零件受力负载示意图进行求解计算，得到受压变形图如下，其变形趋势由图可以观察，最大变形处在旋转轴上，数值为0.001mm，在安全范围内。图5-SEQ图5-\*ARABIC19髋连接零件在ANSYS中受压变形图件仿真结果的等效应力图如下，该零件所受的应力分布趋势可以看出最大点在轴与弧面连接处，数值为13.68MPa，在材料需用应力内。图5-SEQ图5-\*ARABIC20髋连接零件在ANSYS中等效应力图并联电机的连接件，其传动关系为电机2通过连接件将输出的旋转传递给电机3将其带动旋转。首先划分网格大小为3mm，其固定约束放置于连接件输出的地方，及螺纹孔处的圆环状平面，如下图所示。图5-SEQ图5-\*ARABIC21电机连接零件固定约束示意图其所受的负载载荷来自于电机的输出在圆转轴上的旋转运动，故添加受力载荷代替电机输出，如下图所