基于Solidthinking Inspire的重型机械手优化设计研究

专业技术文章：基于工程实践的隧道重型机械手持轻量化设计与优化


引言与背景

在隧道工程智能化与环保要求日益提高的背景下，自主设计并优化隧道重型机械手成为高效的施工手段。本文基于一个典型隧道喷浆支护喷浆机器人核心机械手的实绩应用，聚焦于该系统的轻量化设计与优化。通过集成ADAMS和Inspire这两款先进的仿真工具，旨在对其运动学、动力学模型与臂架有限元模型进行精准的建模及优化分析，以实现机械手在保证稳固性能的同时，追求减重目标。

1. 基于ADAMS的运动学与动力学建模与仿真




重型机械手的轻量化设计前，首先通过对机械手工作过程的全面分析，提取关键工况，着重分析关节最危险状态下的受力特性。利用动力学分析仿真软件ADAMS，导入精益打造的Creasys CAD模型，包括定义各构件的质量参数、约束条件与管道质量，构建ADAMS运动学与动力学模型。

具体仿真步骤如下：

仿真条件设置：初始状态设定为大臂上仰，小臂处于最小长度，且进行2m水平位移的动作；随后小臂回转60°至180°。这些动作涵盖了机械手复杂操作的典型阶段。

受力分析：在20秒时点，三部分连接关节达到最大受力状态，通过记录各铰点在x、y、z方向的受力曲线，深入理解不同关节在特定动作中的负载特性。

2. Insure驱动的机械手结构优化分析


2.1 原始与改进设计的力学性能比较

初始模型验证：经ADAMS快速搭建与仿真，原始结构在极限工况下显示最高应力为158MPa，未形成特定方向显著集中的应力分布，表明动力学稳定性存在待优化空间。

轻量化优化：


使用Inspire软件进行轻量化拓扑优化设计，分为两步：

1. 在设计减重目标下保持最大刚度，质量目标70%，优化结果在保留原有部分的前提下大幅减重，重量从185kg降至174kg。

2. 继续优化，质量目标调整为50%，尽管牺牲了一点刚度，但其重量（165kg）与剩余性能的提升相比，展现了显著的成本效益与性能优势。

安全性及减重验证：对优化设计后的机械手臂架重新进行安全性评估。单元模型细化后的分析结果显示，尽管局部刚度有所降低，最小安全系数提升至4.2以上，强度与可靠性并未因此显著妥协。

结论与展望

本文通过理论分析与数值仿真的结合，验证了对复杂机械手系统运用ADAMS和Inspire进行运动学、动力学模型建构与轻量化拓扑优化的可行性和高效性。尤其是Inspire的轻量化设计功能展示出了超越传统设计的创新潜力。

在拟议的解决方案基础上，未来的研究将进一步探索不同轻量化减少策略对结构整体性能的影响，以及引入更多环境因素（如噪声、振动控制）的深度融合，为隧道重型机械手的设计与智能制造提供更为全面、适应性强的参考。