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基于ANSYS Workbench的焊接机器人大臂预应力模态分析王昆;刘进福;韩晶;莫贤【摘要】焊接机器人的大臂是整个机器人的受力最大的机构,作为机器人的重要部件,其刚度和强度直接影响到机器人的使用精度和寿命.在设计过程中必须保证它的强度和刚度及在运动过程中振动频率的影响.文中在有限元受力分析软件ANSYS 下对焊接机器人的大臂进行静力分析,为机器人整体设计和优化提供有效的理论支持.【期刊名称】《机械工程师》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】2页(P159-160)【关键词】焊接机器人;大臂;有限元分析【作者】王昆;刘进福;韩晶;莫贤【作者单位】常州先进制造技术研究所,江苏常州213164;常州先进制造技术研究所,江苏常州213164;常州先进制造技术研究所,江苏常州213164;常州先进制造技术研究所,江苏常州213164【正文语种】中文【中图分类】TP2420 引言目前，在企业组织产品焊接中，大都采用手工焊接，其不足之处在于：手工焊接质量不稳定，工人劳动强度大；焊接时产生的烟雾对工人的呼吸系统产生损害，焊接时发出的亮光会对工人的眼角膜产生损害；手工焊接的生产效率低。
使用焊接机器人不仅能降低焊接对工人身体的危害，还能够有效地提高工作效率，降低劳动成本。
焊接机器人的大臂是整个机器人受力最大的机构，作为机器人的重要部件，其刚度和强度直接影响到机器人的使用精度和寿命。
在设计过程中必须保证它的强度和刚度及在运动过程中振动频率的影响。
本文在有限元受力分析软件ANSYS下对焊接机器人的大臂进行静力分析，为机器人整体设计和优化提供有效的理论支持。
1 模态分析理论基础有限元的模态分析就是建立模态模型进行数值分析的过程。
对于一般的多自由度结构系统而言，运动都可以由其自由振动的模态来合成。
由于系统结构阻尼主要发生在固定的或可动的连接部位，因此零件材料的内阻尼只是吸收和损耗能量的一部分［5］。
系统自由振动系统方程为：其中：［M］和［K］分别为油缸坯料搬运系统的质量矩阵和刚度矩阵，均为N×N阶方阵；｛X｝表示油缸坯料搬运系统的位移向量，同时还可以将式（1）写成位移向量的形式：经线性变换式｛x｝=［u］｛y｝对集合位置坐标｛x｝表示的耦合系统微分方程组进行解耦。
ANSYS Workbench 作业题目：预应力模态分析机械工程学院姓名：林静学号：1308020305指导教师：赵知辛Workbench 预应力模态分析哑铃静止在面时，受重力作用，利用作用在杆中部的拉力替代重力，对哑铃进行预应力模态分析1.选择分析模块在Custom system 选择 Pre-Stress Modal，双击出现右下界面2.双击Engineering Data添加材料，选择铝合金3.导入事先画好的几何模型右键单击Geometry ,出现Import Geometry,选择几何模型4.双击Model，启动Mechanical 程序单击Geometry 下的哑铃，在Assignment中添加材料打开后界面如下：6 .划分网格光标置于Mesh上，在Relevance Center中选择Medium,双击Mesh，开始划分网格网格划分结果如下：7.在Static Structural 中添加约束和预应力光标置于Static Structural上，在菜单栏Support设定约束和在Loads中加载预应力，如下所示：7.此时树形结构modal中会有pre-stress ，来自于static structural （即上述结构中所加载的）8.预应力求解光标置于Static Structural下的Solution上，在菜单栏的Stress和Deformation中添加求解Equivalent Stress和Total Deformation，单击菜单栏中Solve,进行求解，结果如下：9.模态求解光标置于Modal下的Solution上，右键单击，选中solve,进行求解,界面如下：9.求解后在Graph中右键单击选择Select All,再次单击右键C reate Modal Shape Results ，在树形结构后下会出现Solution Information11.右键单击Modal下的Solution，选择Evaluate All Results,求解界面如下：12.查看各项模态分析结果逐个单击各项Total Deformation,显示各项模态图，如下（1）一阶模态（2）二阶模态（3）三阶模态（4）四阶模态（5）五阶模态(6)六阶模态（资料素材和资料部分来自网络，供参考。
第6章 模态分析 模态分析主要用于确定结构和机器零部件的振动特性（固有频率和振型）也是其他动力学分析（如谐响应分析、瞬态动力学分析以及谱分析等）的基础。
利用模态分析可以确定一个结构。
本章先介绍动力学分析中较为简单的部分★ 了解模态分析。
6.1 模态分析概述模态分析（Modal Analysis ）亦即自由振动分析，是研究结构动力特性的一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。
模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。
模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。
模态分析的经典定义是将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。
坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。
对于模态分析，振动频率i ω和模态i φ是由下面的方程计算求出的：[][](){}20i iK M ωφ−= 模态分析的最终目标是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报、结构动力特性的优化设计提供依据。
模态分析应用可归结为：评价现有结构系统的动态特性。
在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计。
诊断及预报结构系统的故障。
控制结构的辐射噪声。
识别结构系统的载荷。
ANSYS Workbench 17.0有限元分析从入门到精通受不变载荷作用产生应力作用下的结构可能会影响固有频率，尤其是对于那些在某一个或两个尺度上很薄的结构，因此在某些情况下执行模态分析时可能需要考虑预应力的影响。
进行预应力分析时首先需要进行静力结构分析（Static Structural Analysis ），计算公式为：[]{}{}K x F =得出的应力刚度矩阵用于计算结构分析（[][]0S σ→），这样原来的模态方程即可修改为：[][]()2i K S M ω+− {}0iφ= 上式即为存在预应力的模态分析公式。
Workbench -Mechanical Introduction第五章模态分析简介Training Manual •在这一章中，将介绍模态分析。
进行模态分析类似线性静力分析。
–假设用户已学习了第4章线性静力结构分析部分。
•本章内容:–模态分析步骤–有预应力的模态分析步骤•本节所述的功能，一般适用于ANSYS DesignSpace Entra及以上版本的许可。
Training Manual模态系统分析基础•对于模态分析，振动频率ωi 和模态φi 是根据下面的方程计算的出的：2•假设:[][](){}0=−iiM K φω–[K] 和[M] 不变:•假设材料特性为线弹性的•利用小位移理论，并且不包括非线性的•不存在[C] ,因此无阻尼•无{F} , 因此无激振力•结构可以强迫振动也可以不强迫振动–模态{φ} 是相对值，不是绝对值A.模态系统分析步骤Training Manual •模态分析与线性静态分析的过程非常相似，因此不对所有的步骤做详细介绍。
用蓝色斜体字的步骤是针对模态分析的。
–附加几何模型–设置材料属性–定义接触区域(如果有的话)–定义网格控制(可选择)–定义分析类型–加支撑(如果有的话)–求解频率测试结果–设置频率测试选项–求解–查看结果…几何体和质点Training Manual •模态分析支持各种几何体：实体, 表面体和线体–,•可以使用质量点:•质点在模态分析中只有质量（无硬度）。
质点在模态分析中只有质量（无硬度）•质量点的存在会降低结构自由振动的频率。
•材料属性: 杨氏模量,泊松比, 和密度是必需的。
密度是必需的Training Manual。
Workbench -Mechanical Introduction第五章模态分析简介Training Manual •在这一章中，将介绍模态分析。
进行模态分析类似线性静力分析。
–假设用户已学习了第4章线性静力结构分析部分。
•本章内容:–模态分析步骤–有预应力的模态分析步骤•本节所述的功能，一般适用于ANSYS DesignSpace Entra及以上版本的许可。
Training Manual模态系统分析基础•对于模态分析，振动频率ωi 和模态φi 是根据下面的方程计算的出的：2•假设:[][](){}0=−iiM K φω–[K] 和[M] 不变:•假设材料特性为线弹性的•利用小位移理论，并且不包括非线性的•不存在[C] ,因此无阻尼•无{F} , 因此无激振力•结构可以强迫振动也可以不强迫振动–模态{φ} 是相对值，不是绝对值A.模态系统分析步骤Training Manual •模态分析与线性静态分析的过程非常相似，因此不对所有的步骤做详细介绍。
用蓝色斜体字的步骤是针对模态分析的。
–附加几何模型–设置材料属性–定义接触区域(如果有的话)–定义网格控制(可选择)–定义分析类型–加支撑(如果有的话)–求解频率测试结果–设置频率测试选项–求解–查看结果…几何体和质点Training Manual •模态分析支持各种几何体：实体, 表面体和线体–,•可以使用质量点:•质点在模态分析中只有质量（无硬度）。
质点在模态分析中只有质量（无硬度）•质量点的存在会降低结构自由振动的频率。
•材料属性: 杨氏模量,泊松比, 和密度是必需的。
密度是必需的Training Manual… 分析类型Training Manual •从Workbench的工具栏中选择“Modal”指定模型的分析类型。
•在Analysis Settings中:–提取的模态阶数：1到200（默认的是6）。
–指定频率变化的范围（默认的是0到1e+08Hz）。
ANSYS Workbench 作业
题目：预应力模态分析
机械工程学院
姓名：林静
学号：05
指导教师：赵知辛
Workbench 预应力模态分析
哑铃静止在面时，受重力作用，利用作用在杆中部的拉力替代重力，对哑铃进行预应力模态分析
1.选择分析模块在Custom system 选择 Pre-Stress Modal，双击出现右下界面
2.双击Engineering Data添加材料，选择铝合金
3.导入事先画好的几何模型
右键单击Geometry ,出现Import Geometry,选择几何模型
4.双击Model，启动Mechanical 程序
单击Geometry 下的哑铃，在Assignment中添加材料
打开后界面如下：
6 .划分网格
光标置于Mesh上，在Relevance Center中选择Medium,双击Mesh，开始划分网格
网格划分结果如下：
7.在Static Structural 中添加约束和预应力
光标置于Static Structural上，在菜单栏Support设定约束和在Loads中加载预应力，如下所示：
7.此时树形结构modal中会有pre-stress ，来自于static structural （即上述结构中所加载的）
8.预应力求解
光标置于Static Structural下的Solution上，在菜单栏的Stress和Deformation中添加求解Equivalent Stress和Total Deformation，单击菜单栏中Solve,进行求解，结果如下：
9.模态求解
光标置于Modal下的Solution上，右键单击，选中solve,进行求解,界面如下：
9.求解后在Graph中右键单击选择Select All,再次单击右键C reate Modal Shape Results ，在树形结构后下会出现Solution Information
11.右键单击Modal下的Solution，选择Evaluate All Results,求解界面如下：
12.查看各项模态分析结果
逐个单击各项Total Deformation,显示各项模态图，如下（1）一阶模态
（2）二阶模态
（3）三阶模态
（4）四阶模态
（5）五阶模态
(6)六阶模态。
