步行機(jī)構(gòu)中壓桿的受力分析

劉一恒++杜振軍

摘 要：四足步行機(jī)構(gòu)是近年來研究的一個(gè)比較活躍的領(lǐng)域。四足步行機(jī)構(gòu)在家庭娛樂、仿生學(xué)、健身器材等方面有很大的應(yīng)用前景。文章建立分析模型，通過設(shè)計(jì)軟件對(duì)機(jī)構(gòu)做運(yùn)動(dòng)仿真。四足步行機(jī)構(gòu)中一壓桿受周期性變載荷影響，運(yùn)動(dòng)分析模塊中的鉸鏈配合所承受的變載荷，輸入到有限元分析模塊中，并獲得其中壓桿在全周期載荷加載歷史條件的有限元分析結(jié)果，從而為后續(xù)的設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

關(guān)鍵詞：四足 步行 壓桿 有限元

中圖分類號(hào)：TH11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）03（b）-0093-03

目前四足步行機(jī)構(gòu)的研究主要集中在小型輕便和控制等方面。該文設(shè)計(jì)的步行機(jī)構(gòu)，重點(diǎn)在壓桿兩端鉸鏈配合所承受的變載荷、輸入到有限元分析模塊中、運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的變載荷與壓桿的有限元分析上。設(shè)計(jì)軟件能夠保證四足步行機(jī)構(gòu)在步行過程中，桿件的剛度和強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，保證運(yùn)行可靠性。該文通過SolidWorks建立步行機(jī)構(gòu)的三維模型，并對(duì)其進(jìn)行仿真模擬和有限元分析。為了使問題簡(jiǎn)化，該文對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行較大簡(jiǎn)化。

1 機(jī)構(gòu)構(gòu)型

如圖1所示，為步行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為近似直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。盡管精確直線機(jī)構(gòu)可以替代滑桿和導(dǎo)槽，但在應(yīng)用中，又需要一段是直線，另一段是曲線的結(jié)構(gòu)。例如，用腳步行的機(jī)械在著地時(shí)要沿著直線，返回時(shí)抬腳又需要走曲線。這樣的機(jī)械很難讓直線段嚴(yán)格為直線，但可以做成近似程度非常高的直線。采用的機(jī)構(gòu)為霍肯直線機(jī)構(gòu)?；艨现本€機(jī)構(gòu)由卡爾·霍肯發(fā)明，是一種由四條連桿構(gòu)成的機(jī)械結(jié)構(gòu)。連桿的末端在半個(gè)周期內(nèi)走直線，另外半個(gè)周期走特殊的弧線。實(shí)驗(yàn)表明，這種直線機(jī)械的誤差在其工作范圍內(nèi)小于千分之一。這是一種非常適用于設(shè)計(jì)用腳走路的運(yùn)載工具的機(jī)械結(jié)構(gòu)。相比輪子，用腳走路對(duì)地面的要求很低，而且腳的末端可以設(shè)置較大面積的墊子以減小對(duì)地面的壓強(qiáng)，平衡路面的高低不平，保證四足末端與機(jī)身垂直的兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)副，圖中未完全表示。

2 機(jī)構(gòu)的虛擬運(yùn)動(dòng)仿真

采用COSMOS Motion的機(jī)構(gòu)仿真步驟，創(chuàng)建裝配體，施加運(yùn)動(dòng)副和載荷，設(shè)置固定件和運(yùn)動(dòng)件，設(shè)置仿真參數(shù)，仿真運(yùn)算，輸出分析結(jié)果，其中施加運(yùn)動(dòng)副為機(jī)械配合鉸鏈可運(yùn)行。利用COSMOS Motion對(duì)足部機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬。首先用SolidWorks對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維造型和裝配，然后用與SolidWorks無縫集成的COSMOS Motion三維動(dòng)力學(xué)仿真軟件添加運(yùn)動(dòng)、約束、力等參數(shù)。對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真模擬，獲得運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)畫。

3 有限元分析

該文采用相對(duì)運(yùn)動(dòng)分析方法，固定四足機(jī)構(gòu)的一足，讓機(jī)身運(yùn)動(dòng)。應(yīng)用COSMOS Motion模擬運(yùn)動(dòng)仿真。如圖2所示，顯示應(yīng)力在零件中貫穿的22個(gè)情形，在情形8中獲得了最大值175 MPa，小于材料的屈服極限175 MPa。如圖3所示，顯示合位移在零件中貫穿的22個(gè)情形，在情形8中獲得了最大值0.3 mm。如圖4所示，在情形8中獲得了應(yīng)力圖解。如圖5所示，在情形8中獲得了合位移圖解。

4 結(jié)語

該文應(yīng)用SolidWorks，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維造型和裝配。用與SolidWorks、無縫集成的COSMOS Motion三維動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)四足步行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真模擬，用有限元模塊模擬受變載荷的壓桿件在全周期加載歷史的應(yīng)力與合位移。這種方法直觀地表現(xiàn)出加載荷歷史與應(yīng)力的變化關(guān)系、加載荷歷史與合位移的變化關(guān)系。為合理設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)提供依據(jù)，同時(shí)也可以提高設(shè)計(jì)效率。

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