基于 ABAQUS 的大跨距桁架不同截面模态分析和结构优化

摘要

本文针对特定企业中多台联动CNC车床大跨距桁架机械手的机身刚度及整机稳定性问题，利用ABAQUS模态分析理论，对其中横梁不同横截面进行了深入的研究。在理解了物料特性和横梁受力特性后，通过ABAQUS软件进行有限元分析，解出了前6阶振型。研究发现，在满足高精度高刚度性能的前提下，通过结构优化实现机构重量的减轻，满足企业的生产需求并提高经济效益。

关键词


ABAQUS




结构优化


模态分析


振动


桁架机械手


引言

桁架机械手作为一种集合在直角XYZ坐标系统上的全自动工业设备，能够实现零件的位置调整及轨迹运动功能。它们通常由直线动模块组成。文中研究的特定案例是一套可自动抓取并加工钟表企业中的表壳的桁架机械手，该系统能够同步处理多达三台CNC车床的工作，显著提升加工生产效率。然而，机械手下纵梁的跨度较大，因此对桁架结构进行模态分析优化变得重要，以提升其稳定性和效率。

桁架机械手结构

以直角X、Y、Z三个方向的组件为核心的部分描述了桁架机械手的基本结构。根据企业安装要求及车间布局，设计了一套满足三台车床并行工作的大跨距桁架机械手，其核心部件包括X轴横梁、Y轴纵梁及支撑立柱。企业特别要求大跨距横梁采用矩形横截面，本研究对横梁截面进行优化，旨在在满足高精度和高刚性的前提下，减轻机构重量，以提升经济效益。

有限元建模

借助SolidWorks建立了三维几何模型，基于该企业的实际尺寸。Y轴纵梁作为拟进行模态分析的构件，其模型简化为类似简支梁的结构特性，实际分析中考虑到机器手自重的影响，并对其众多个体模型的负载进行具体计算。

模态分析

模态分析作为研究结构动力特性的一种方法，主要被工程振动领域应用。此处，通过ABAQUS对Y轴纵梁进行了模态分析，分析了实心矩形、空心矩形、以及工字型三种横截面的前6阶振型和相关频率。分析结果显示，工字型加上肋板的截面形态，在满足所需性能的同时，优化了结构，使其重量减轻，并取得更好的经济效益。

结构优化

综合模态分析的结果，对大跨距桁架结构的横截面进行了优化设计，使得模型更加精准，截面性能得以提升，进而降低了共振频率，并实现了总体重量的减少，这一优化不仅满足了企业对高精度和高刚度的要求，还减轻了机构重量，提高企业经济效益。最终的结构优化研究由理论分析扩展至工程实践，并提供出宝贵的参考讲解。