混凝土水力破拆机器人是用超高压水射流破拆受损混凝土，与传统机械式接触破拆相比，具有安全、高效、无污染、对钢筋无损害等优点，大大降低了工人劳动强度，在公路、隧道、桥梁、大坝、港口、矿山等混凝土维护工程中可广泛应用。美国、瑞典等国家水力破拆机器人研制较早，现在已广泛应用，目前国内还是传统的机械式破拆，但水力破拆是受损混凝土修复的发展趋势，而国外产品价格昂贵、维护不便，因而研发国产水力破拆机器人有重要工程意义。
      机械臂是混凝土水力破拆机器人的执行机构，对结构的刚度、强度要求较高。运用ANSYS Workbench建立机械臂有限元分析模型，通过静力学和模态分析，指出结构设计中薄弱部位并加以优化，分析流程如图1所示。
      按等效刚度原则，简化机械臂结构。将销轴、螺栓连接简化为面接触；忽略螺纹和无应力集中的圆角、倒角；删除次要的孔、台，等效分配其质量；忽略液压马达、液压缸及液压管路，等效其配重。机械臂各关节至最大位置，在自重、负载作用下，所受载荷最大，是机械臂的极限工况，如图2所示。
      1）零部件材料
      滚轮、连杆和销轴是45钢，其密度为7830kg/m3，泊松比为0.29，弹性模量206GPa，喷嘴是人造红宝石，密度为3500kg/m3，泊松比为0.07，弹性模量1100GPa，其余材料为Q235，密度为7850kg.m3，泊松比为0.3，弹性模量200GPa。
      2）定义接触和网格划分
      无相对移动的螺钉连接，用粘接接触，如连接法兰与伸缩臂、支架；有相对滑动但不分离的，用不分离接触，如伸缩臂与伸缩套、滚轮与支撑架间；有相对滑动的，用有摩擦接触，如滚轴与滚轮，摩擦系数为0.003。设置边界条件，采用自动划分网格，共197277个节点，117633个单元，如图2所示。
      3）添加约束与施加载荷
      机械臂所受载荷复杂，包括自重、输送管重、高压水重，射流反作用力外和风力载荷。其中，风力影响很小，输送管重、高压水重远小于射流反作用力，均可忽略不计，故机械臂受力F如式所示。
      超高压水为连续射流，喷嘴内外压力、流速不同，忽略出口截面高度差，由伯努利方程，如式(2)所示，其中p1、p2为喷嘴内外压力，MPa；v1、v2为喷嘴内外平均流速，m/s；12ρ=12为喷嘴内外射流密度，kg/m3。
      应用流体连续方程，如式(3)所示，喷嘴出口内外两点。假定喷嘴出口为圆柱形，则2A=πd/4，且12ρ，d为喷嘴截面直径，m；A1、A2为喷嘴内外截面面积，m2。
      射流压力140MPa，流量为160L/min，射流反作用力F2=1406.5N，以均布力作用喷枪末端喷嘴；施加重力加速度，添加重力；采用固定约束立架底部四个安装孔。
      机械臂在射流反作用力和自身重力影响下，应力、应变如图3所示，滚轮与支撑架连接处有最大应力180.99MPa，滚轮材料为45钢，屈服极限为355MPa，一般材料最大许用应力是其屈服极限的0.5～0.8，可知滚轮处应力较大，应进行优化结构。在喷枪末端有最大位移8.801mm，接近工程中所允许最大值，需提高变形较大结构的刚度。

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