原创《基于ANSYS拓扑优化的机器人末端结构设计》：该文是关于拓扑论文范文，为你的论文写作提供相关论文资料参考。
摘 要：利用仿真软件ANSYS中拓扑优化设计功能,将末端三维模型导入ANSYS中,通过网格划分,边界条件界定,模拟受力环境等一系列操作后,根据ANSYS拓扑优化模块的计算分析.再根据色差显现零件保留与移除部分,对零件进行适当的结构调整.重复优化和调整后达到才材料的利用率,节约财力物力,也提高了设计水平.
关键词：拓扑优化；模型导入；网格划分；计算分析
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.117
1 引言
目前我国的设计水平仍有较大的提升空间,根据统计优化设计可以降低5%～35%的造价[1].早期的设计制造需要耗费大量的人力、财力.随着各类设计软件的开发,为机械及其他的设计行业提供了便捷有效的工具.为了解决以上问题,本文针对用于加工机器人末端结构设计,利用三维建模软件Solidworks建立整机模型,然后运用仿真软件ANSYS中拓扑优化功能,对零部件进行拓扑优化,改善机器人的末端结构,对节约设计的时间、提高材料的利用效率等的具有重要意义.
2 结构模型
先通过Solidworks三维建模功能,根据机器人基本组成：机座、腰座、大/小臂、末端等基本组成,初建机器人的基本结构外形如上图所示.
从末端的三维图可以看出外形结构并不精简,需要去除些材料,进行结构简化.
3 拓扑优化数学模型建立
拓扑优化的约束条件是省去材料的百分比V.目标函数是结构的变形能,其实拓扑优化是指形状优化,实质是寻找结构的力传递途径,按照途径分配材料,提高了材料的利用率,优化了结构受力情况,最终达到设计要求[3-5].
目标函数：
其中：结构的变形能
约束条件：
其中：,,,.
4 拓扑优化设计
与传统的优化设计不同,拓扑优化简单便捷在于它不需要用户定义优化变量,设计变量、状态变量和目标函数等,这些分析计算设定都是程序预先定义好的,我们只需要将所要分析的结构模型转变成“x-t”格式,导入ANSYS中,设定材料特性参数,位移约束,所受载荷约束等.[6]系统会自动的根据默认算法得出优化结果.
首先优化机器人的末端结构.给定材料的特性参数,末端選材为铝合金,其密度低,但强度比较高,最低的拉伸强度175mpa,屈服强度195mpa,接近或超过优质钢,塑性好,可加工成各种型材.
4.1 网格划分
网格的划分可分为：自由网格、映射网格及混合网格等.自由网格对单元体形状没有特定形状限制；但是映射网格划分必须是规则的体或面.虽然一般情况下映射网格划分比自由网格划分的出的结果要精确,但是由于体型的限制,采用自由网格划分.设定relevance center为medium,oothing为medium,transition设为slow,span angle center设为medium.网格划分结果如下：
4.2 施加约束条件
机器人的大小臂力整力的传动机构类似于一个串联混合机构.且由于此结构为两组平行四边形组成,其中主平行四边形确定末端点位置,辅助平行四边形使末端执行器与水平面保持一个固定的姿态.末端在空间内只发生三个向的平移运动,不发生旋转,由此可以简化末端于拉杆及小臂的连接处可用固定约束来代替.另外在中心孔旁凹面处施加100pa的压强代替末端在承载重量时的受力环境.所得受力分布云图与整体变形图如下：
由图可知整体所承受应力最大达424pa,远远小于材料可承受应力.利用ANSYS对末端进行拓扑优化如下图：
上图中红色显示的为可移除材料,未改变的为保留材料.可以清晰的看出末端两侧耳和下面端口有大面积的可移除材料.
根据仿真结果,合理的去除红色材料后,对零件重新做了静力学仿真,受力云图分布和整体变形如下图所示：
由彩色云图显示的末端受力时应力应变分布情况,形象清楚的可以看出,末端在工作时承受的最大应力和发生的最大变形.
经优化前后对比,优化后对材料无论是在性能上还是在质量上的利用率都提高很多了.质量和体积都减少了将近8%.降低了加工难度,节约加工时间.
但是,所受应力远远小于材料性能承受应力的最小值,并且变形量很小,不影响完成工作的性能要求.所以为达到材料利用率预期理想设计结构,需要进行反复的优化设计过程,从而达到理想的要求.
优化设计流程：零件导入ANSYS,性能仿真开始到拓扑优化与材料性能比较判断合格与否,若合格则结束优化；若不合格则调整结构后重新新拓扑优化,然后再进行比较.
5 结束语
本文对加工机器人依次做了结构分析,简化结构,运用ANSYS仿真软件对末端结构的应力,应变图得出末端材料利用率比较低,再对零件进行拓扑优化,再根据优化结果,对机器人末端结构进行了外形结构优化.重复优化和结构的调整过程,最后可接近达到最大限度省时节约材料的目的.
参考文献：
[1]计时鸣,黄希欢.工业机器人技术的发展与应用综述[J].机电工程,2015（01）：1-5.
[2]李京,范真,陈祖英等.基于 ANSYSWORKBENCH的细纱机机架动态仿真分析[J].现在纺织技术,2017：1-3.
[3]冯强,仲梁维,李磊.ANSYSWORKBENCH仿真平台在支架优化设计中的应用[J].软件导刊,2017,11（16）：172-174.
[4]田建涛.基于ANSYS拓扑优化的拉板设计[J].设计计算,2017,60-63.
[5]赵琨,张曼华,刘津.基于 ANSYS 拓扑优化的电缆支架结构设计[J].水利与电力,2014,100-103.
[6]牛飞.结构拓扑优化设计若干问题的建模、求解及解读[D].2013：5-9.
山东省科学技术发展计划＼（2011GGX10226）,国家自然科学基金项目（51505337）,山东省高等学校科技计划项目（JA150）
作者简介：霍洪鹏（1991-）,女,山东人,硕士研究生,研究方向：机器人设计与仿真.
拓扑论文参考资料：
结论：基于ANSYS拓扑优化的机器人末端结构设计为关于拓扑方面的的相关大学硕士和相关本科毕业论文以及相关拓扑论文开题报告范文和职称论文写作参考文献资料下载。
