麦轮轴结构静力学分析及优化设计(附件)【字数：9509】
摘 要麦克纳姆轮目前广泛运用于智能机器人领域，它通过法兰与麦轮轴直接相连，获得麦轮轴传递的动力。因此，麦轮轴需要结构合理，体积小，重量轻，且各轴强度及刚度符合使用要求。本文使用Hypermesh12.0对零件应力和位移量进行分析，然后根据结果进行相关优化。通过三种不同的优化思路，以及五种不同的优化方案，利用软件对优化后的零件进行多次分析，优化后的麦轮轴的最大应力降低了15%，最大形变量略微降低了2%，从而达到设计的要求。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 课题背景与意义 1
1.2 有限元的产生与应用 1
1.3 有限元的计算原理及分析步骤 1
1.4 课题研究内容与目标 3
第二章 零件建模过程 4
2.1 UG NX软件的介绍 4
2.2 零件图的分析 4
2.3 零件的建模 5
第三章 有限元分析 8
3.1 HyperMesh软件的概述 8
3.2 关于材料的基本假设和理论 8
3.3 HyperMesh的主要使用方法 8
3.3.1 麦轮轴的网格划分 9
3.3.2 参数设置 10
3.3.3 边界条件 11
第四章 计算结果分析与优化 15
4.1 应力与变形分析 15
4.2 优化设计 17
第五章 总 结 19
致 谢 20
参考文献 21
第一章 绪 论
1.1 课题背景与意义
在计算机时代还没有来临之前，以前的零件设计一般都是通过理论计算。但是，随着时代的发展，零件变得越加复杂，零件之间的结合与联系也越来越密切，人为所需要的计算量也在几何倍的增加，需要考虑的东西也变多，这就使得计算所得到的结果与实际中设计所预期的结果不相符，而基于实际的工程上的需要就产生了有限单元法[1]。1973 年，工程师 Bengt Ilon 开发设计了麦克纳姆轮。在 Robocon、FRC 等机器人赛事上，麦轮的使用数量逐渐增多。这是因为麦克纳姆轮不但具 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
有同往日常规的轮类的特性，又可以完成360°无死角的运转，完成全向轮才能完成的工作，大大减少了机器人的制造花费。这样就使得人们更加倾向于设计制造起来相对简单一点的麦克纳姆轮，而不是加工工艺非常复杂的全向轮。
现如今，计算机辅助设计的技术软件数量每年都在不断增多，每个设计师在制造或者设计产品的时候，往往就需要进行有限元分析计算。很多时候我们会根据不同的需求来设计一些产品。在这个时候，新的设备，新的结构，将有限元应用加入并参与到新产品的研发设计上，是符合时代潮流的。节约型的设计理念与方法，不同于以往只是通过查表来进行设计。同时也需要将学校所学的知识进行灵活运用，深入了解相关知识以及有限元软件。
1.2 有限元的产生与运用
第一次出现“有限元法”概念的是在上个世纪六十年代[2]。近年来，有限元发作为一种思想方法，运用领域在不断扩大，很多专家与学者都在研究如何更加广泛并且合理的使用有限元，如何开发利用有限元的思想实现更大的发展。[35]。 20 世纪 70 年代，有限元法开始大面积的在工业上被使用，也逐渐被扩展应用到了空间、问题研究以及稳定性问题的研究上[6]。
如果说以前的设计时代是通过大量的实验累积，通过大量的计算分析的时代，那么有限元给我们带来了一个全新的时代，一个通过计算机来进行理论分析的时代。目前看来，有限元的的确确开始在现代产品设计中发挥着越来越大的作用。
1.3 有限元法的计算原理及分析步骤
有限元法通常也会被称为有限单元法或有限元素法。它的理论基础是最小势能理论[7]，而它的基本思想是是“先分后合”[8] 。我们可以把整个零件图把它转化成犹如马蜂窝一样，每个网格就像是马蜂窝上面的蜂巢一般，这样我们就可以观察零件的每一个细节部分，最后再把所以的细节连接在一起，这大概就这个软件的基本原理过程。使用这种方法很灵活,你只要考虑你要做大还是做小就可以了,做的大肯定会方便，计算的也快，但是精度上面就会比较低，做的小，做的很细致，这样的精度肯定会高很多，效果也好，就是计算量也会增加很多，所以我们需要进行一些取舍来选择一个合适网格大小。有限单元法的一般求解过程如图11所示。
图11有限单元法程序图[9]
有限元分析过程通常分为三个阶段[1011]。前处理阶段、计算分析阶段和后处理阶段。具体的分析流程如图12所示。
图12 有限元分析流程图
1.4 课题研究内容与目标
现如今，有限元法理论也在日趋完善,软件也在不断地更新新的版本，使用起来也充分方便了的产品设计者，大大的提高了工作效率。本研究课题的零件是麦克纳姆轮，麦克纳姆轮主要是起主要传动轴作用的构件，承受较大的扭矩，与联轴器相连接。由于麦克纳姆轮是主轴，所以它的结构的合理性，对整个零件起着举足轻重的作用。在机器人实际运转过程中，麦轮轴强度以及变形直接影响了传动的效果及稳定性，进而影响到机器人的运动性能以及精度。因此，对零件进行必要的仿真分析，从中发现零件结构可能存在的问题，进而对此零件结构进行必要的合理优化，保证麦克纳姆轮能够达到产品设计的作用。正所谓机械设计没有对与错，只有合理与不合理，在现有的条件下，依靠现如今计算机所具有的强大的计算能力，使用它来代替人工计算，对同一个产品进行多角度全方位的分析，通过模拟图来确定可能出现的问题，及时进行相关优化，从中选出最为合理的结果。这样设计出来的产品才真真正正的符合现代对产品设计的要求。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 课题背景与意义 1
1.2 有限元的产生与应用 1
1.3 有限元的计算原理及分析步骤 1
1.4 课题研究内容与目标 3
第二章 零件建模过程 4
2.1 UG NX软件的介绍 4
2.2 零件图的分析 4
2.3 零件的建模 5
第三章 有限元分析 8
3.1 HyperMesh软件的概述 8
3.2 关于材料的基本假设和理论 8
3.3 HyperMesh的主要使用方法 8
3.3.1 麦轮轴的网格划分 9
3.3.2 参数设置 10
3.3.3 边界条件 11
第四章 计算结果分析与优化 15
4.1 应力与变形分析 15
4.2 优化设计 17
第五章 总 结 19
致 谢 20
参考文献 21
第一章 绪 论
1.1 课题背景与意义
在计算机时代还没有来临之前，以前的零件设计一般都是通过理论计算。但是，随着时代的发展，零件变得越加复杂，零件之间的结合与联系也越来越密切，人为所需要的计算量也在几何倍的增加，需要考虑的东西也变多，这就使得计算所得到的结果与实际中设计所预期的结果不相符，而基于实际的工程上的需要就产生了有限单元法[1]。1973 年，工程师 Bengt Ilon 开发设计了麦克纳姆轮。在 Robocon、FRC 等机器人赛事上，麦轮的使用数量逐渐增多。这是因为麦克纳姆轮不但具 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
有同往日常规的轮类的特性，又可以完成360°无死角的运转，完成全向轮才能完成的工作，大大减少了机器人的制造花费。这样就使得人们更加倾向于设计制造起来相对简单一点的麦克纳姆轮，而不是加工工艺非常复杂的全向轮。
现如今，计算机辅助设计的技术软件数量每年都在不断增多，每个设计师在制造或者设计产品的时候，往往就需要进行有限元分析计算。很多时候我们会根据不同的需求来设计一些产品。在这个时候，新的设备，新的结构，将有限元应用加入并参与到新产品的研发设计上，是符合时代潮流的。节约型的设计理念与方法，不同于以往只是通过查表来进行设计。同时也需要将学校所学的知识进行灵活运用，深入了解相关知识以及有限元软件。
1.2 有限元的产生与运用
第一次出现“有限元法”概念的是在上个世纪六十年代[2]。近年来，有限元发作为一种思想方法，运用领域在不断扩大，很多专家与学者都在研究如何更加广泛并且合理的使用有限元，如何开发利用有限元的思想实现更大的发展。[35]。 20 世纪 70 年代，有限元法开始大面积的在工业上被使用，也逐渐被扩展应用到了空间、问题研究以及稳定性问题的研究上[6]。
如果说以前的设计时代是通过大量的实验累积，通过大量的计算分析的时代，那么有限元给我们带来了一个全新的时代，一个通过计算机来进行理论分析的时代。目前看来，有限元的的确确开始在现代产品设计中发挥着越来越大的作用。
1.3 有限元法的计算原理及分析步骤
有限元法通常也会被称为有限单元法或有限元素法。它的理论基础是最小势能理论[7]，而它的基本思想是是“先分后合”[8] 。我们可以把整个零件图把它转化成犹如马蜂窝一样，每个网格就像是马蜂窝上面的蜂巢一般，这样我们就可以观察零件的每一个细节部分，最后再把所以的细节连接在一起，这大概就这个软件的基本原理过程。使用这种方法很灵活,你只要考虑你要做大还是做小就可以了,做的大肯定会方便，计算的也快，但是精度上面就会比较低，做的小，做的很细致，这样的精度肯定会高很多，效果也好，就是计算量也会增加很多，所以我们需要进行一些取舍来选择一个合适网格大小。有限单元法的一般求解过程如图11所示。
图11有限单元法程序图[9]
有限元分析过程通常分为三个阶段[1011]。前处理阶段、计算分析阶段和后处理阶段。具体的分析流程如图12所示。
图12 有限元分析流程图
1.4 课题研究内容与目标
现如今，有限元法理论也在日趋完善,软件也在不断地更新新的版本，使用起来也充分方便了的产品设计者，大大的提高了工作效率。本研究课题的零件是麦克纳姆轮，麦克纳姆轮主要是起主要传动轴作用的构件，承受较大的扭矩，与联轴器相连接。由于麦克纳姆轮是主轴，所以它的结构的合理性，对整个零件起着举足轻重的作用。在机器人实际运转过程中，麦轮轴强度以及变形直接影响了传动的效果及稳定性，进而影响到机器人的运动性能以及精度。因此，对零件进行必要的仿真分析，从中发现零件结构可能存在的问题，进而对此零件结构进行必要的合理优化，保证麦克纳姆轮能够达到产品设计的作用。正所谓机械设计没有对与错，只有合理与不合理，在现有的条件下，依靠现如今计算机所具有的强大的计算能力，使用它来代替人工计算，对同一个产品进行多角度全方位的分析，通过模拟图来确定可能出现的问题，及时进行相关优化，从中选出最为合理的结果。这样设计出来的产品才真真正正的符合现代对产品设计的要求。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/zdh/388.html
