胡东鑫

摘要：基于ANSYS，通过使用有限元分析的方法，对吸附式擦黑板机器人进行结构分析，并提出优化结构的方案。采用SolidWorks和ANSYS软件相结合的方法，利用SolidWorks构建出吸附式擦黑板机器人的三维模型后导入ANSYS Work-bench中，通过ANSYS对模型进行有限元仿真分析，求出底盘在施加载荷的情况下的最大变形量及最大应力所在位置，通过仿真分析结果对该机器的结构强度进行分析，验证结构的合理性，并提出优化方案，重复上述过程验证优化方案的可行性。

关键词：吸附式;结构;SoildWorks;ANSYS;仿真分析

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）12-0193-03

吸附式擦黑板机器人具有机构简单、运动平稳、工作效率高、有效防止粉尘飞散等特点，可以代替传统的黑板擦，提高课堂效率。采用真空吸附的方式将机器固定在黑板上，并通过电机驱动使其按规定的路线运动，可以高效的清洁黑板表面。因该机器采用真空吸附，其机器底盘承受主要载荷，其底盘的结构的合理性直接影响到机器运行的稳定性，为了验证机器能否稳定工作，本文采用有限元的分析方法，运用ANSYS对吸附式机器人的底盘进行结构分析，并提出改进方案，分析改进方案的可行性。

1机器工作原理及结构组成

吸附式擦黑板机器人采用STM32作为主控芯片，由电机驱动、风机吸附，各种传感器组成。首先将黑板的尺寸通过遥控器输入给机器，机器会根据输入尺寸规划出合理的路径，然后按规划的轨迹移动。机器内部的毛刷以及底盘上的抹布会将沿途的字迹清扫下来，再通过风机将粉尘吸入储尘盒。使用者也可以通过红外遥控器手动控制机器去指定位置清扫。黑板右上角安装铁质挡板以及充电器，机器清扫完毕后会返回起始位置，通过电磁铁模块磁力吸附在铁质挡板，以达到停机固定的效果。机器主要由结构外壳，底盘，风机，储尘盒，履带电机，STM32控制芯片，电池，电路板，电磁铁，抹布以及各种传感器组成。机器结构简图如图1所示。

2底盘有限元仿真过程

2.1建立三维模型

由上文可知整个机器最主要的结構部件就是机器的底盘，下文主要就机器底盘进行建模仿真分析。底壳是用ABS工程塑料注塑成型的，其底盘的主要尺寸为长295mm，宽290mm，高为15mm，板厚度为2mm。通过SolidWorks建立底盘的三维模型如图2所示：

2.1导入三维模型

通过SolidWorks软件建立好模型将其另存为parasolid（.x_t）格式，然后打开ANSYS Workbench，然后点击Workbench界面中的Toolbox，选择Analysis Systems中的TransicentSttucyural选择Geometr，然后点击Import，然后选中通过SolidWorks保存出来的模型，点击更新按钮，然后双击Geometry，然后模型将会显示在Workbench中[4]。

2.2确定材料属性

底盘的材料为ABS工程塑料，其弹性模量为2000Mpa，泊松比为0.394，屈服拉应力为30Mpa。

2.2表格划分

机器人底盘受力比较复杂，各个部位所受的力大小不一，如果将整个模型的网格密度划分相同的话，将影响仿真结果，本文将根据底盘受力不同，将受力较大的负压腔网格单元设置的较小，其他受力较小的部位网格单元设置较大，以此来提高仿真结果的准确性嘲。网格划分模型如图3所示：

2.3施加约束及载荷

1）施加约束：施加约束是力学分析前提，只有合理的添加约束才能保证仿真分析所得结果的准确性。因本文主要是对底盘结构强度分析，所以采用的是静力学仿真分析，也即对机器静止状态进行分析。根据其静止时的受力情况，所以只需要在底盘清洁区域添加固定约束。点击supports，选择Fixed Sup-port，然后选择底盘清洁区域，从而限定机器在静止时的工作位置。

2）添加载荷：机器在静止时主要受到自身重力，静摩擦力，以及负压力。由于机器保持静止，静摩擦力与重力大小相等方向相反，所以负压力是影响底盘结构强度的主要因素。经过初步计算以及实验验证确定负压值在2800Pa时既能保证机器静止也不影响机器正常移动。底盘受力图如图4所示：

3结果分析

完成上述的仿真过程后，最后对模型进行求解，首先选择Deformation中Total生成机架的变形量云图，然后选择Stress中的Equivalent（Von-Mises）查看机架的等效应力。得到模型应力云图和变形量云图如图5和图6所示：

由仿真结果云图可得最大应力值及最大变形量，最大应力值a=7.085MPa，因为机器需要在黑板表面运行，则整体结构设计应尽量保证其安全，这里选取安全系数k=1.8，而ABS工程塑料的许用应力o=30Mpa，可得o·k<<[o]，所以在强度方面当前模型可以满足设计要求川;而最大变形量Dmax=2.105mm，由于机器工作时需要吸附黑板上运行，所以为了避免机器过重而影响机器整体运行情况，底盘最大厚度在2mm左右，并且要保证该厚度下能够支持机器正常工作。由仿真结果可以明显看出当前模型在总变形量过大完全不能满足底盘结构设计要求。

4优化方案

由上文可知当前底盘模型结构在强度方面可以满足设计要求，但是在结构变形量方面完全不能满足设计要求，结构变形量过大不能够满足设计的精度要求，而且底盘的变形量过大会直接影响机器的正常工作。根据底盘模型现存的问题提出改进方案，变形量过大一般可以从两个方面进行改进。一方面改进材料，调整拆开属性，增强材料本身的硬度。另一方面是改进底盘结构从结构上增强整体结构的硬度，例如在结构底盘受力较大的地方加入加强筋来提高其抗变形的能力。下面就这两方面：1.改变底盘结构;2.改变底盘材料，对底盘进行改进并重复上述的有限元仿真过程，验证优化方案的可行性。

如图7所示为优化后的底盘结构模型，在风机卡扣位置加一圈加强筋，同时在增加负压腔的壁厚。优化仿真过程中又将底盘材料更换为机械性能和结构强度好的ABS/PC混合型工程塑料。通过优化机器底盘结构及材料性质，对优化后的模型进行仿真，得到如图8、图9所示的仿真结果。由图可以明显看出优化后的最大应力值o=3.442MPa，最大变形量D=0.7992mm。大大降低了底盘的变形量，可以满足设计要求。

5结论

通过SolidWorks构建出仿真所需的模型，再采用ANSYSWorkbench软件对机器底盘结构进行分析，由仿真结果可以得到底盘在静止状态下最大应力值和最大变形量，根据结果分析模型是否满足设计要求，如果不符合设计要求，再对模型进行优化改进，对优化后的模型进行再次仿真，对比两次仿真结果，可知改进后的底盘结构更加稳定，强度也大大增强，满足设计要求。通过以ANSYS为主的静力学仿真分析，对模型进行结构、强度分析并提出优化改进方案，可以大大缩短机器的设计周期。