【自动爬楼轮椅的仿真分析案例2000字】

自动爬楼轮椅的仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u1630自动爬楼轮椅的仿真分析案例 1270611.1关键零部件有限元分析 1317551.1.1直齿轮静力及接触的有限元分析 1307011.1.2三角支撑架有限元分析 2296411.1.3关键零部件的优化 4228121.2爬楼运动仿真 5266541.2.1爬楼轮椅模型导入 5248511.1.2运动学仿真结果分析 61.1关键零部件有限元分析1.1.1直齿轮静力及接触的有限元分析对齿轮的应力分布曲线进行分子可知，在齿轮进入接触或者退出接触时，会存在应力集中现象，这种现象可能会导致直齿圆柱齿轮失效。该该齿轮进行相关的应力分析能够有效的避免应力集中现象从而提升齿轮的寿命。如图1.1所示，由图可以得出：主动齿轮接触应力分布在齿根处，其中应力大小在70MPa～100MPa范围内，且应力分布逐渐从140～245MPa增加。齿廓和齿槽表面对应的应力不断的降低，最终降低至35MPa左右。对于驱动齿轮而言，齿廓啮合部分的尖端会出现最大的应力，为316MPa。图1.1主动齿轮接触应力分布图如图1.2表示的是齿轮副接触应力分布图，对其进行分析可知，对于从动齿轮而言，其齿根圆处应力值范围为274MPa～366MPa，同时齿面应力分布不断的提高，范围为在457MPa～549MPa范围内。然而，轮齿表面和齿根表面的应力分布逐渐减小到91MPa～183MPa左右，这与主动齿轮的应力分布相似。齿廓啮合附近应力较大，最大的应力点在从动轮中，为824MPa。图1.2齿轮副接触应力分布图1.1.2三角支撑架有限元分析在三维建模中建立三维模型，具体模型如图1.3所示，图1.3原始三角支撑架三维模型定义材料属性是有限元分析的必要条件，确定三角支撑架为45#钢，其密度为7800Kg/m3，弹性模量为2.1e+5MPa，泊松比为0.3PRXY，屈服强度为360MPa。对三角支撑架采用自由划分网格的方式进行划分网格，如图1.4所示。图1.4三角支撑架网格划分轮椅在爬楼梯的运动过程中，三角支撑架与接触面的接触只有一个三角轮与楼梯面接触，且承受的压力是最大的。爬楼过程中不可能有两个轮子同时接触地面。只有在平地行走时，两个轮子才会接触地面。根据力学原理，三角支撑架应力和变形最大值发生在爬楼时只有一个轮子接触地面的情况下，所以只需分析这种情况下的应力和变形就可以，满足爬楼过程时的刚度和强度需求，就能满足在平地行走时的刚度和强度。三角支撑架的分析云图如图1.5所示。（a）等效应力云图（b）总变形云图图1.5三角支撑架应力及总变形云图考虑到三角支撑架的重要性，由图1.5可知，三角支撑架的最大变形发生在架壁的边缘，云图中的最大变形量为0.01155mm，电动轮椅的最大许用变形为0.5mm，符合许用变形。本文采取的三角支撑架的安全系数n=2，已知45#钢的屈服极限σs=360MPa，因此由计算公式σ=σsn可以得到三角支撑架的许用应力为σ1.1.3关键零部件的优化通过优化设计可以降低材料的浪费，减少制造成本，创造更多利润。基于对三角支撑架的有限元分析可知，其刚度和强度都有很大裕量，出于轮椅的整体重量较大，故对三角支撑架进行优化设计。考虑到轮椅的爬升方式和三个轮子的结构，对于三角支撑架的优化主要是通过改变其厚度和材质，再通过添加若干个减重孔进行优化，结构变化后的三维模型如图1.6所示。按照上节中的网格、约束和载荷重新分析。图1.6三角支撑架优化模型优化后的三角支撑架的分析云图如图1.7所示.图1.7三角支撑架应力及总变形云图最大等效应力为85.92MPa，小于许用应力。最大变形量为0.497mm，在最大许用变形范围内。1.2爬楼运动仿真1.2.1爬楼轮椅模型导入将组建导入到ADAMS环境中，其内部算法主要用于执行运动仿真分析，最终获得所需的曲线数据结果。导入后的模型如图1.8所示：图1.8爬楼轮椅导入ADAMS模型图合并模型，把没有相对运动的零件合并在一起。点击Bodies工具箱下的Booleans子工具箱，选择mergetwobodies，然后分别点击要合并在一起的两个零件即可。在adams中，由于各个机构部件都是刚性的，所以选择刚性的接触方式对其接触力进行计算，其中设置楼梯为刚体1，爬行装置为刚性2，对这两个机构组成的系统添加约束如图1.9所示：在几个转动的轮子和车体之间添加转动副，转动中心就是轮子的圆心。在驱动齿轮和车体之间添加转动副，驱动中心就是齿轮的自转中心。在从动轮和主动轮的转动副之间添加耦合副，以传递转动速度。图1.9添加约束在三角形驱动夹的转轴线上添加一个驱动力，设置如图1.10所示：图1.10添加驱动力1.1.2运动学仿真结果分析当轮椅开始爬升时，关节电机使得三角履带轮翻转，开始攀爬楼梯。楼梯尺寸如图1.11所示。图1.11楼梯的具体尺寸参数根据图1.12（b）可以得出，轮椅越过每个台阶的水平位移为125mm，翻转周期是2.5s。通过爬楼轮椅质心的位移曲线图如图1.12（d）可以看出，运动轨迹的波动幅度小，波动次数少