基于ABAQUS的气动软体径向膨胀驱动器结构优化

宋懋征，刘晓敏*，梁佳祺

(1.北华大学 机械工程学院，吉林 吉林 132021;2.北华大学 土木交通学院,吉林 吉林 132013)

随着新型智能材料的发展，良好的灵活性、柔和性和适应性成为软体执行器的发展目标[1-4].以柔性执行器为动力驱动，在完成不同任务时表现出更好的环境灵活性和安全性[5-6]，因此，柔性驱动器的研制及优化已成为学者的研究热点[7-8].

上海交通大学[9]基于仿生学生物肌腱原理设计了一种气体驱动的软体驱动器，并通过多目标优化方法，对相关参数进行筛选得出优解区间；新加坡国立大学[10]采用柔性轴设计出一种柔性的执行器，为了解不同的设计参数对执行器的运动性能，对多参数进行了广泛地实验探究；五邑大学智能制造学部[11]设计了一种基于骨架的气动手指，通过ABAQUS仿真软件对其进行结构设计，根据仿真结果得到最佳结构组合.以上学者仅对驱动器进行了单一实验或仿真探究其结构参数对目标性能的影响，未对其提供准确的前期实验支撑基础.

针对以上问题，本文对自主研发的径向膨胀驱动器的径向膨胀量进行研究，建立径向膨胀驱动器本体的材料模型，利用硅胶拉伸实验测得其材料参数；通过实验与仿真对比验证其模型的正确性与可行性，利用ABAQUS有限元分析软件对驱动器的各设计参数进行仿真对比，获得其最佳结构参数组合.

1 结构与功能

提出了一种气动软体径向膨胀驱动器，其结构及变形原理如图1所示.

图1 径向膨胀驱动器结构及变形原理

该径向膨胀驱动器本体结构由限制层和形变层组成，见图1(a)，其内部分为四腔，各腔室相互独立，并由通气管道相连通，驱动器变性原理为利用压缩气体，在密封的软体腔室中的各向同性膨胀与硅胶基体结构不对称性产生各向异性的变形，从而产生驱动器在径向方向上的变形运动.因此，当通入正压力气体，气腔上下两侧壁厚较厚，形成变形限制层，气腔周侧壁厚较薄优先发生膨胀变形；气腔上下侧壁由于壁厚较厚，受到较强的膨胀限制力，从而驱动器完成径向膨胀变形.径向膨胀驱动器外形参数如表1所示.

表1 径向驱动器结构参数

2 硅胶材料模型建立

软体径向膨胀驱动器的本体材料选用抗张强度(断裂)为3.45 MPa的Dragon-skin 30硅胶，考虑到硅胶材料的各向同性和不可压缩性，故选用Yeoh本构方程描述超弹性材料的非线性大变形，其一般应变能密度函数表示为：

W=(I1,I2,I3) ，

(1)

其中

(2)

式中：I1,I2,I3分别为变形张量不变量；λ1，λ2和λ3分别为空间上轴向、周向和径向三个方向的主伸长比.硅胶属于不可压缩的超弹性材料，因此有

(3)

因此式(2)可转化为典型的应变能密度函数两项展开式，即：

W=C10(I1-3)+C20(I1-3)2，

(4)

式中：C10，C20均为基于Yeoh模型的硅胶材料常系数，其数值可根据硅胶单轴拉伸试验法测得，其硅橡胶制品参照《硫化橡胶和热塑性橡胶拉伸性能的测定》的规定对试样进行拉伸试验(图2)，试验条件及试样参数如表2所示.图3为硅胶应力随应变变化曲线，经数据拟合得到硅胶材料常系数C10=0.268 1，C20=0.039 8.

表2 试验条件及试样参数

图2 拉伸试验台

应变/%图3 应力应变曲线

3 有限元仿真

采用ABAQUS有限元仿真软件对径向膨胀驱动器进行仿真分析，其步骤一般分为10步(图4).步骤为：在UG建模软件中对径向驱动器进行创建，见图4(a)，并将其导入ABAQUS中进行前处理，见图4(b)；在材料属性中创建各向同性类型Dragon skin30，应变势能选用Yeoh模型，见图4(c)，并将其进行装配，见图4(d)；在求解器中设定完全牛顿求解技术对其进行求解分析，并在输出中选择待求解目标，见图4(e)、(f)；将驱动器的底部进行固定，气腔内部施加气体压强，见图4(g)、(h)；在进行单元类型选择时，为了达到更好的求解结果，单元形状选择四面体二次单元，并增加网格划分密度，单元类型为C3D10H，网格数量为13 432，见图4(i)；最后创建作业并提交，分析结果，见图4(j).

图4 仿真流程图

4 仿真与分析

为分析驱动器模型通气膨胀后径向位移量的准确性，为仿真试验提供可靠支撑，将分别在试验与仿真环境下对驱动器径向膨胀量与气压关系进行实验对比.

4.1 径向膨胀量实验

实验平台如图5所示.

图5 实验平台

该实验平台主要由磁致伸缩位移传感器、USB数据采集卡、气泵及稳压电源组成.驱动器充气变形，其位移量通过推动双闭口磁环与传感器测杆感应电压体现，其径向膨胀位移与气压关系如图6所示.由图6知，径向膨胀驱动器仿真数据与试验数据在气压下的膨胀位移基本一致，随着气压的增大，径向膨胀位移也随之增加，实验与仿真曲线趋势一致，在0～0.08 MPa，由于驱动器实体气腔中施加正压力压强，阻滞力较低，使得试验数据偏低，当气压超过0.08 MPa后，试验数据高于仿真结果.实验证明：采用ABAQUS有限元仿真软件对径向膨胀驱动器的径向膨胀量的仿真具有一定的可行性与参考性.

气压值/MPa图6 仿真与实验

4.2 结构优化

根据径向膨胀驱动器结构尺寸及膨胀后的结构变化，将限制层厚度c、形变层厚度b、气腔数量n、气室高度h、圆角R5个结构参数定义为形变影响参数，控制单一结构参数分析对径向膨胀驱动器径向膨胀量的影响.各设计参数最优范围可以由文献[12]求得：软体驱动器的最优组合为限制层厚度c=4 mm、形变层厚度b=2 mm、气腔数量n=4、气室高度h=12 mm、圆角R=8 mm，在其最优组合下驱动器可达较好的径向膨胀量，但驱动器在最优组合下能否满足驱动器的设计要求还需进一步进行仿真分析，其在仿真环境下的结构参数见表3.

表3 径向驱动器各结构参数

图7为不同厚度的限制层对径向膨胀驱动器径向膨胀量的影响.由图7知：在形变层b=2 mm、气腔数量n=4、气室高度h=12 mm和圆角R=8 mm的条件下，驱动器径向膨胀量随着气压的增大而增加，随着限制层壁厚的增加，驱动器径向膨胀量随之减少；0.12 MPa气压下，径向膨胀驱动器在限制层厚度为3、4和5 mm的最大径向膨胀量分别为12.4、10.5和9.8 mm，其最大应力分别为3.501、1.179和1.596 MPa；限制层厚度3 mm的驱动器在0.12 MPa气压下，最大应力超出材料本身的抗张强度，极易发生断裂失效现象，因此，最佳限制层厚度为4 mm.

图7 限制层厚度对径向膨胀量的影响

图8为驱动器腔室数量对其径向膨胀量的影响.在限制层厚度c=4 mm、形变层b=2 mm、气室高度h=12 mm和圆角R=8 mm的条件下，3、4和5腔室的驱动器最大径向膨胀量分别为10.8、10.5和10.1 mm，其膨胀量相近；在气压0.12 MPa下，其受到的最大应力分别为1.264、1.179和1.462 MPa；由图8知，腔室数量n=3和n=5比n=4的驱动器的最大径向膨胀量仅分别提高了2.9%和减少了3.7%，驱动器腔室数量对其径向膨胀量的影响较少.综合驱动器在0.12 MPa下受到的最大应力及变形对称性的考虑，故选取n=4为最佳设计参数.

图8 气腔数量对径向膨胀量的影响

图9为不同形变层厚度对驱动器径向膨胀量的影响.由图9可知：在限制层厚度c=4 mm、气室高度h=12 mm、气腔数量n=4和圆角R=8 mm的条件下，形变层壁厚对驱动器变形影响较为显著，对径向膨胀量的影响较大，是影响驱动器膨胀变形的关键因素.在0.12 MPa下，形变层1 mm的驱动器的最大径向膨胀量为19.0 mm，但其受到的最大应力高达6.048 MPa，不满足硅胶材料的抗张强度；形变层2 mm比形变层3 mm的驱动器径向膨胀量提高了47.3%，因此选用形变层2 mm作为最佳设计参数.

图9 形变层厚度对径向膨胀量的影响

在气压作用下，气室高度对径向驱动器径向膨胀量的影响见图10.由图10可知，在限制层厚度c=4 mm、形变层b=2 mm、气腔数量n=4和圆角R=8 mm的条件下，气室高度也是影响驱动区径向膨胀量的关键因素.随着气室高度的增加，其径向膨胀量也随之增加，在气室高10、12和14 mm的驱动器最大径向膨胀量分别为7.74、10.51和13.29 mm，气室12 mm的驱动器的径向膨胀量比气室10 mm的驱动器提高了35.8%，气室14 mm的驱动器的径向膨胀量比气室12 mm的驱动器仅提高了26.4%.在0.12 MPa气压下，三者中气室高12 mm的驱动器所受最大应力最少，为1.179 MPa.故选取气室高度为12 mm作为最佳设计参数.

图10 气室高度对径向膨胀量的影响

在气压作用下，圆角对径向驱动器径向膨胀量的影响见图11.由图11知，在限制层厚度c=4 mm、形变层b=2 mm、气室高度h=12 mm和气腔数量n=4的条件下，圆角R6、R8和R10的驱动器在0.12 MPa下的最大径向膨胀量分别可达9.72、10.51和12.93 mm，其受到的最大应力分别为1.131、1.179和2.138 MPa.圆角R=10 mm的驱动器受到的最大应力是圆角R=12 mm驱动器的1.8倍.在保证驱动器获得最大径向膨胀量的同时保证其安全性，选取圆角R=8 mm为最佳设计因素.

图11 圆角大小对径向膨胀量的影响

5 结 论

(1)设计了一种径向膨胀驱动器，建立了驱动器本体的材料模型，采用Yeoh模型本构方程描述驱动器材料非线性大变形，并通过单轴拉伸实验测得其材料参数，其中C10=0.268 1，C20=0.039 8.利用验证试验平台，进行了驱动器的膨胀位移实验，验证其材料模型的可行性与正确性.实验结果表明：仿真与实验结果曲线吻合性较好，验证材料模型参数的正确性及运用有限元分析仿真的可行性.

(2)利用ABAQUS有限元分析软件对驱动器各设计参数进行仿真分析，仿真结果表明：限制层厚度c、形变层厚度b、气室高度h、圆角R5个结构参数对其径向膨胀量有极其显著的影响.径向膨张驱动器最佳参数组合为限制层厚度4 mm、形变层厚度2 mm、气腔数量4、气室高度12 mm、圆角8 mm.