拉弯型柔顺多稳态机构的精确建模方法研究

发布时间：2020-08-15 20:09

【摘要】：柔顺机构是一类利用材料的弹性变形传递或转换运动、力和能量的新型机构。经过30年的发展,柔顺机构已成为现代机构学的一个重要分支。多稳态机构是柔顺机构中一类具有特殊功能的机构,它们除了具有柔顺机构的特点外,还能够在多个位置上实现位形自保持。近年来,多稳态机构在机器人跳跃和驱动、振动能量收集、可重构超材料、碰撞阈值传感等领域得到广泛的应用,表现出了非凡的应用价值。通常多稳态机构需要利用柔顺片段的应力刚化、曲率非线性等非线性因素,这使得对它们的精确建模变得异常困难。目前常用的椭圆积分解,伪刚体模型法、有限元差分法都不能很好地解决多稳态机构建模困难的问题,特别是带有拉弯片段的多稳态机构。拉弯片段因其在双稳态跳转过程中一直处于受拉状态,从而避免了屈曲导致的非对称跳转和不可预测的双稳态特性。因此,本论文主要研究了含有拉弯片段的全柔顺多稳态机构的精确建模。本论文通过综合运用梁约束模型和链式梁约束模型,为双拉弯型双稳态机构建立了两个运动静力学模型,通过与有限元模型的分析结果进行对比得知,模型Ⅰ和模型Ⅱ均可较好地预测机构的运动静力学特性,而相对复杂的模型Ⅱ在预测负刚度区域的载荷-位移曲线更为精确。为扩展带有拉弯片段的双稳态机构设计空间,提出了一种全新的拉压组合型双稳态机构,分别采用梁约束模型和链式梁约束模型为其建立了两种运动静力学模型,结果表明链式梁约束模型可大大提高建模精度,3D打印的样机成功验证了这种新型机构的双稳态特性。在上述运动静力学模型的基础上,基于蒙特卡罗法为拉压组合式双稳态机构给出了一种使用便捷的敏度分析和不确定性分析方法,准确预测了该机构受各个随机因素影响的性能变化,为机构的鲁棒设计提供了有价值的参考。最后,论文提出了一种全新的全柔顺三稳态机构构型,在推导其运动静力学模型的基础上,设计了两款三稳态机构,运动静力学模型准确地预测了机构的三稳态特性,预测结果得到有限元分析结果的进一步验证。3D打印了其中一款设计的样机,样机成功地展示了其三稳态特性。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH112
【图文】：

(a) (b)(c) (d)图1.2 柔顺机构的典型应用：(a)无气轮胎 (b)自适应机械手 (c)雨刮器背架 (d)振荡器1.2 柔顺多稳态机构多稳态机构是一类特殊功能的柔顺机构，它们除了具有柔顺机构的特点外，还能够在多个位置上实现位形自保持。许多装置得益于多稳态，如各种开关、盖子等。多稳态特性可以通过图 1.3 所示的“山上小球”来说明[1]。在 A 点附近，由于小球的重力势能处处相等，它会取得自然的平衡，如果有小的扰动，它会离开这个位置并在附

即使有小扰动，小球仍会返回谷底，而谷底对应着，我们称小球处于“稳定平衡状态”。图1.3 “山上小球”模型与稳定性对于柔顺机构，机构运动过程总是伴随着自身构件的弹性变形、弹性势能的存储与释放。类比于“山上小球”的重力势能，若在柔顺机构的运动空间中存在多个位置使得机构内存储的弹性势能取得极小值，机构便具有多稳态特性，该机构就称为柔顺多稳态机构。如果机构在运动空间中有两个弹性势能极小值位置，该机构就称为双稳态机构，如果有三个弹性势能极小值位置，就称为三稳态机构，以此类推。1.3 有关柔顺多稳态机构构型的研究1.3.1 双稳态机构目前有关柔顺多稳态机构构型的研究成果主要集中在双稳态机构。柔顺双稳态机构常常借助细长梁的屈曲特性实现双稳态，例如：S nmez和Tutum[4]研究了铰接-铰接柔顺梁的双稳态特性（图 1.4(a)）；Zhao 等[5]研究了固定-导向柔顺梁的双稳态特性（图 1.4(b)）；Parkinson 等[6]针对固定-导向柔顺梁进一步研究了图 1.4(c)所示的三段式固定-导向柔顺梁的双稳态特性，由于引入了刚性段，该机构具有更多设计参数

(d)[7]图1.4 数种采用屈曲梁的双稳态机构：(a) 铰接-铰接屈曲梁 (b) 固定-导向屈曲梁(c) 三段式屈曲梁 (d) 初始弯曲屈曲梁屈曲后梁的侧向刚度锐减，再加上制造的误差和材料本身的缺陷造成的多段柔顺梁不同步屈曲，机构在跳转过程中常常会出现侧向（非功能方向）失衡，致使双稳态机构发生非对称跳转以及不可预测的双稳态特性，这在一定程度上限制了双稳态机构的应用。针对这一问题，Masters 和 Howell[8]基于弹簧滑块机构的双稳态特性综合出了自收缩式双稳态机构，该双稳态机构在运动过程中，其内部的柔顺片段所承受的轴向力为拉力，避免了屈曲失稳的发生，因此可以完全避免非对称跳转问题；此外，拉力会在变形的柔顺片段上产生作用反向的弯矩，使得片段的末端的变形减小，所以，自收缩式双稳态机构的另一个优势是两个稳态之间距离可以设计得更小

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本文编号：2794577