基于链式梁约束模型的柔顺机构建模分析软件开发

发布时间：2020-04-10 22:46

【摘要】：柔顺机构是一种利用柔性构件自身的弹性变形来实现运动、力或能量传递或转换的装置,具有精度高、无摩擦、装配简单等优点。平面柔顺梁是柔顺机构中重要的组成单元,它结构简单,能提供较大的运动范围,因此被广泛应用于医疗仿生、精密仪器等领域。链式梁约束模型是一种精确、有效的计算平面柔顺梁非线性变形的算法。为了便于柔顺机构设计人员在一起进行讨论和机构的变形预测,本文基于链式梁约束模型面向智能手机和平板电脑开发了用于快速建模和分析平面柔顺机构的软件。本文的主要研究工作如下:(1)在基本粒子群优化算法的基础上,将全局速度最优的粒子的影响因素同时融入粒子的速度更新公式,得到了一种改进的粒子群优化算法,并通过几个典型测试函数验证了这种算法的准确性与高效性。然后,用此粒子群优化算法对目标函数进行优化从而求出非线性方程组的解,为软件的求解模块提供了理论支持。(2)进行了MASCM的需求分析与设计初步。确定了软件的开发语言和开发平台,并从功能和性能两方面对MASCM进行了详细的需求分析。在软件需求的指导下,确定了MASCM的功能模块和软件结构。利用柔顺机构的柔顺矩阵,分析了机构间的约束关系,为MASCM中机构的拓扑关系的确定提供了理论基础。(3)在Android平台上实现了平面柔顺机构建模与分析APP(MASCM)的各个模块。软件用户交互界面可供用户通过触控快速的绘制平面柔顺机构的简化模型;机构绘图模块定义了绘图系统的图元,并且提供图形绘制功能;机构参数输入模块供用户定义柔性构件和刚性杆件的参数;机构信息数据化模块可以提取用户绘制的平面柔顺机构的简图的数据信息,并进行存储;机构数学建模模块是基于链式梁约束模型,结合用户机构中单元的参数,得到机构的几何非线性方程组;模型求解模块是基于改进的粒子群优化算法求解机构模型中的非线性方程组;计算结果后处理模块可以将机构的运动进行动画实时展示,并显示该机构的力-位移曲线和对应的数据。(4)通过部分柔顺四杆机构、圆弧导向机构、交叉簧片式柔性铰链等几个经典的平面柔顺机构介绍了MASCM进行平面柔顺机构建模与分析的操作流程,将分析得到的结果分别与其他方式得到的结果进行对比分析,并通过搭建部分柔顺四杆机构的实验平台,验证了MASCM分析的准确性,说明MASCM的分析结果对于设计人员具有参考价值。最后,通过Junit对MASCM进行了单元测试,保证了MASCM软件的质量。
【图文】：

镊子,机构,功能,柔性杆

依靠机构变形实现功能：(a)镊子(b)指甲刀

可展开天线,空间,柔顺机构,柔性构件

图 1.5 基于折纸艺术的柔顺空间可展开天线[16]1.2 柔顺机构分析软件的研究现状现代计算机辅助设计能将机构设计理论果与计算机系统有机结合起来，，具有强大的比如以上提到的的基于有限单元法开发的工析柔性构件的大变形，但是这个求解过程较也不断增加。所以开发一款快速、简便、直
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH112

【参考文献】