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摘要有限元法是随着计算机技术的应用而发展起来的一种先进的技术，广泛应用于各个领域中的科学计算、设计、分析中，成功的解决了许多复杂的设计和分析问题，己成为工程设计和分析中的重要工具。由于机械产品的设计制造和试验有以下的特点一般的机械产品批量比较大可以在运行过程中不断改进并积累经验一些机械产品的样机试验相对成本较低而且比计算机模拟试验更可靠在实际中多数机械产品及其零件都是根据现有同类产品及零件进行改进或近似性设计其性能可参考现有产品和零件的性能得出所以有限元法在机械工程中的应用相对要少一些一般情况下只是对产品中的关键件重要件或一些特殊零件进行有限元分析但是随着市场竞争的日趋激烈随着经济社会和环境效益要求的提高今天的机械产品设计已离不开有限元技术的支持。工业机器人是一个包含机械、电子、电气、液压气动及控制系统等的复杂系统，一旦失效或发生故障，将造成难以预测的后果。因此，工业机器人具有潜在的危险性，有必要对其进行可靠性设计。基于ANSYS建立工业机器人的有限元分析。针对机器人操作机的机构优化设计，对机器人关键承载部件进行了分析和简化，建立了关键承载部件的有限元分析模型，选取了最危险的受力状况作为分析工况，对各部件进行了静力分析，得到了各部件的应力和位移分布，获得了各部件的最大变形，对机器人局部刚度进行了评价。运用有限元的方法、理论进行工业机器人以及其零部件的分析。关键词：有限元模态分析可靠性分析MonteCarlo工业机器人ABSTRACTFiniteelementmethodisanadvancedtechnologydevelopedwiththeapplicationofcomputertechnology,widelyusedinvariousfieldsofscientificcomputing,design,analysis,successfullysolvedmanycomplexdesignandanalysisproblems,hasbecomeanimportanttoolinengineeringdesignandanalysis.Becauseofthedesignofmechanicalproductmanufacturingandtestinghasthefollowingcharacteristicsofgeneralmachineryproductsbiggerbatchcanberuninaprocessofcontinuousimprovementandtheaccumulationofexperienceofmechanicalproductprototypetestofrelativelylowcostandmorereliablethanthesimulatedtestinpracticemostofthemachineryproductsandpartsarebasedontheexistingsimilarproductsandpartsareimprovedapproximatedesignanditsperformancecanbereferencetotheexistingproductsandpartssothattheperformanceofthefiniteelementmethodinmechanicalengineeringapplicationisrelativelylessingeneralonlyonproductsasthekeypartsofimportantpartsorsomespecialpartsoffiniteelementanalysisbutwiththeincreasinglyfiercemarketcompetitionwiththeeconomicsocialandenvironmentalbenefitsrequirementstoimprovethedesignofmechanicalproductshastodaycannotdowithoutthesupportoffiniteelementtechnology.Industrialrobotisacomplexsystemincludingmechanical,electronic,electrical,hydraulicandpneumaticcontrolsystems,etc.,oncethefailureorfailure,willcausetheconsequencesofdifficulttopredict.Therefore,theindustrialrobothasthepotentialdanger,itisnecessarytocarryonthereliabilitydesign.FiniteelementanalysisofindustrialrobotbasedonANSYS.Accordingtotherobotmanipulatormechanismoptimizationdesignofrobotkeybearingpartsareanalyzedandsimplified,establishedthefiniteelementanalysismodelofthekeybearingparts,thestressconditionofthemostdangerousastheanalysiscase,eachcomponentofthestaticanalysis,thestressanddisplacementdistributionofeachcomponent,obtainedthemaximumdeformationofthevariouscomponentsoftherobotlocalstiffnessisevaluated.Usingthefiniteelementmethod,thetheorytocarryontheanalysisoftheindustrialrobotanditscomponents.Keywords:FiniteElement；ModalAnalysis；ReliabilityAnalysis；MonteCarlo；Industryrobot第一章绪论1.1有限元方法理论的简介有限单元法(finiteelementmethod，简称FEM)是求解数理方程的一种数值计算方法，是将弹性理论、计算数学和计算机软件有机结合在一起的一种数值分析技术，是解决工程实际问题的一种有力的数值计算工具。由于这一方法灵活、快速和有效，其迅速发展成为求解各领域数理方程的一种通用的近似计算方法。目前，有限单元法在许多科学技术领域和实际工程问题中都得到了广泛的应用，如机械制造、材料加工、航空航天、土木建筑、电子电气、国防军工、船舶、铁道、汽车和石化能源等，并受到了普遍重视。有限单元法的主要思想，是对连续体的求解域(物体)进行单元剖分和分片近似，通过边缘结点相互连接而成为一个整体，然后用每一单元内所假设的近似场函数(如位移场或应力场等)来分片表示全求解域内的未知场变量，利用相邻单元公共结点场函数值相同的条件，将原来待求场函数的无穷自由度问题，转化为求解场函数结点值的有限自由度问题，最后采用与原问题等效的变分原理或加权余量法，建立求解场函数结点值的代数方程组或常微分方程组，并采用各种数值方法求解，从而得到问题的解答。1.2有限元方法理论的发展从应用数学的角度考虑，有限单元法的基本思想可以追溯到20世纪40年代初，当时就有人尝试使用三角形区域定义分片连续函数并与最小位能原理相结合，以求解扭转问题。到了50年代中期，开始利用这种思想对飞机结构进行矩阵分析，其中基本思路是将整个结构视为由有限个力学小单元相互连接而形成的集合体，把每个单元的力学特性组合在一起以提供整体结构的力学特性。1960年，这一方法开始用于求解弹性力学的平面应力问题，并开始使用“有限单元法”这一术语，人们更清楚地认识到有限单元法的特性和功效。到20世纪70年代以后，随着计算机软件技术的发展，有限单元法也随之迅速地发展起来，相关方面发表的论文犹如雨后春笋，学术交流频繁，期刊、专著不断出现，可以说进入了有限单元法的鼎盛时期。大型有限元分析软件已成为现代工工程设计中不可缺少的工具，并且与CAD等相结合，形成了大规模集成的CAE(计算机辅助工程分析)系统。发展到今天，工程技术人员使用有限单元法已经十分简便。当前有限单元法的发展趋势是：(1)需要建立更多新材料的单元形式，以适应工程实际中新材料和新复杂结构分析的需要，特别是复合材料、高分子材料、陶瓷材料、纳米材料、环境材料、智能材料和功能材料等；(2)研究模拟复杂和极端载荷工况下的结构力学行为、结构非线性特性、多场耦合等问题，以及相应的自适应数值计算方法；(3)加强与网络化CAD／CAM／CAE等大型软件的无缝集成，实现产品从设计、制造、运行直至失效的分析与模拟，以达到全面提高并保证产品综合质量的目标。1.3有限元分析在工业机器人的应用目前有限元法在机械工程上的应用主要有以下几个方面：1.静力学分析这是对二维或三维的机械结构承载后的应力应变和变形的分析是有限元法在机械工程中最基本最常用的分析类型当作用在结构上的载荷不随时间变化或随时何的变化十分缓慢应进行静力学分析。2.模态分析这是动力学分析的一种用于研究结构的固有频率和自振型式等振动特性进行这种分析时所施加的载荷只能是位移载荷和预应力载荷。3.谐响应分析和瞬态动力学分析这两类分析也属动力学分析用于研究结构对周期载荷和非周期载荷的动态响应。4.热应力分析这类分析用于研究结构的工作温度不等于安装温度时或工作时结构内部存在温度分布时结构内部的温度应力。5.接触分析这是一种状态非线性分析用于分析个结构物发生接触时的接触面状态法向力等由于机械结构中结构与结构间力的传递均是通过接触来实现的所以有限元法在机械结构中的应用很多都是接触分析但是以前受计算能力的制约接触分析应用的较少。ANSYS是一款功能最为全面的大型有限元分析软件，具有对任意复杂大型结构进行精确建模并进行静力学和动力学分析等功能，并能真实地反映出实际结构的各种特性及复杂材质特性等的影响。它已经广泛地运用于各工程领域，显然也为机器人的静力学、动力学等特性，如整体及局部刚度，零部件强度等研究提供了有效的方法、分析工具和途径，从而对结构可靠性进行研究和验证。随着计算机应用技术的不断发展，现已普遍采用有限元分析来解决这类问题。对工业机器人这种非标结构件而言，没有具体的结构计算表达式，也没有可靠性评判的显示模型，无法利用传统的基于显示计算的方法如解析法和数值法计算其可靠度。工业机器人工作繁重、危险，对可靠性要求很高。由于可靠性实验条件有限，现采取仿真分析方法，基于ANSYS建立工业机器人小臂的概率有限元可靠性分析文件并进行确定性有限元分析。第二章机器人关键部件的有限元分析2.1引言有限元法是将连续的变形固体离散成有限个单元组成的结构，单元与单元之间仅在节点处以铰链连接(节点不传递力矩)。利用变分原理或其他方法，建立联系节点位移和节点载荷的代数方程组，求解这些方程组，得到未知节点位移，再求得各单元内的其他物理量。2.2有限元方法的一般分析流程图2.1有限元分析方法的一般流程有限单元法是随着电子计算机的发展而发展起来的一种新颖而有效的数值方法。这个方法在50年代起源于航空工程中飞机结构的矩阵分析。在1960年被推广用于求解弹性力学的平面应力问题，并且开始采用“有限单元法”这个术语。有限元法的分析流程如图2.1所示。2.3机器人关键部件有限元模型的建立有限元分析的第一步便是如何将机械结构系统转化成由节点及元素所组合的有限元模型，该有限元模型与机械结构系统的几何外形一致。有限元模型的建立基本上可分为直接法和间接法。直接法是直接按照机械结构系统的几何外形建立节点及元素，因此直接法适用于简单几何外形的机械结构系统，且节点、元素数目较少。反之，间接