履带行进管道清理机器人通过性及动静态特性分析

摘要

在各类工程项目和人们的日常生活中，常可见到各种各样不同类型管道，如石油输送管道、燃气管道、排污管道、排水管道、供热管道等，其管径、形状、分布各异，还有很多管道埋于地下。大多数管道均需要进行定期的检测和清理，以保证正常使用。随着工业的高速发展及人们生活质量的不断改善，在工业部门及市政管理工作中，管道的维护和清洁工作已经成为了一项普遍和重要的工作。　　对于工业管道和城市地下管道等的清洁工作如果采取人工清理的方式会存在很多难题。例如对于大口径管道，当工人进入管道内工作时，存在劳动强度大，工作环境差，通风不畅等问题。有些管道内甚至存在有毒有害气体或污物，从而对工人身体健康带来重大隐患；对于中小口径的管道，人员无法进入，此时管道巡检和清理又会出现观测、移动和污物处理等多方面的问题，因此需采用特殊机械装置替代人完成所有必要的工作。　　本课题来源于校企合作项目，设计了一款结构相对紧凑、工作高效且便于操控的履带式管道清理机器人，以代替人工完成管道的巡检及清理工作，提高管道检测及清洁保养效率。本论文针对设计出的管道清理机器人整体结构，分析了其在直行、转弯、升降等多种走向管道下的通过性及运动和受力特性，研究了极限工况下机器人关键受力件的动态和静态力学性能，并基于机器人承载能力和轻量化目标对机器人进行了结构的优化设计。　　本文主要分析和研究内容如下：　　(1)基于对工业管道和市政管道的内在状况和机器工作情形的研究，针对所设计的管道清理机器人的工作原理和结构，分析了机器人的核心模块，包括变径装置、行走装置、清理装置等，并通过SolidWorks建立机器人整机三维模型。　　(2)研究管道清理机器人在管道中多种走向下，包括直管、弯管和竖直管道中的通过性和运动特性。在此基础上，将模型在MSCAdams软件中进行仿真，确定机器人运动学特性，并测定主要受力件的力学特征。　　(3)对管道清理机器人关键受力部件在极限工况下进行静力学分析，分析得出机器人危险部件的最大变形和最大应力位置，并在Workbench软件中取得关键受力部件在极限工况下的应力和位移云图以验证关键受力部件的刚度和强度特性。　　(4)对机器人变径装置各部分构件进行结构拓扑优化，改善空间结构、优化材料分布，使优化部分构件减重18.75%，一定程度对机器人实现了轻量化目标。最后对优化后的结构进行了模态分析，从而验证了拓扑优化结果的可靠性。

目录

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第 1 章 绪论

1.1 研究课题背景与意义

1.2 国内外管道机器人研究现状

1.2.1 管道机器人结构类型

1.2.2 管道机器人国外研究现状

1.2.3 管道机器人国内研究现状

1.4 管道机器人发展分析

1.5 论文内容安排

1.6 本章小结

第 2 章 管道清理机器人结构方案及工作原理

2.1 引言

2.2 管道清理机器人工作环境分析及性能指标

2.2.1 工作环境分析

2.2.2 机器人性能指标

2.3 管道清理机器人模块化设计及方案确定

2.3.1 机器人模块化设计理念

2.3.2 机器人设计方案确定

2.4 管道清理机器人防护方案

2.5 管道清理机器人整机工作原理分析

2.6 本章小结

第 3 章 管道清理机器人管道通过性研究

3.1 引言

3.2 管道清理机器人在管道中的通过性研究

3.2.1 机器人管道通过性研究的意义

3.2.2 机器人管道通过性研究方法

3.2.3 机器人管内姿态

3.2.4 机器人管道行走通过性理论研究

3.3 管道清理机器人在 Adams 中的运动学分析

3.3.1 Adams 分析原理简述

3.3.2 机器人运动学仿真

3.4 本章总结

第 4 章 管道清理机器人关键受力件静力学分析

4.1 引言

4.2 管道清理机器人关键受力件受力分析

4.3 管道清理机器人关键受力件受力仿真

4.3.1 有限元思想

4.3.2 机器人关键受力件静力学仿真分析

4.4 本章小结

第 5 章 管道清理机器人拓扑优化

5.1 引言

5.2 拓扑优化理论及 Workbench 拓扑优化流程简介

5.2.1 拓扑优化简介

5.2.2 Workbench 拓扑优化模块简介

5.3 机器人变径装置拓扑优化

5.3.1 拓扑优化前处理

5.3.2 拓扑优化求解与分析

5.3.3 建立拓扑优化模型验证

5.3.4 变径装置模态分析

5.4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢