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可装配式空间三平移柔顺机构拓扑构型研究

发布时间:2021-02-20 20:31
  针对空间柔顺机构拓扑构型难以加工或加工成本过高的问题,提出一种可装配式空间柔顺拓扑设计方法。通过对空间3-PUU型并联机构运动学分析,得到其微分雅可比矩阵,建立空间三平移柔顺机构拓扑构型同构映射矩阵。采用同构映射矩阵与SIMP(Solid Isotropic Material with Penalization)插值模型相结合的拓扑优化方法,建立空间三平移柔顺机构拓扑模型并求解。通过对拓扑构型二次建模与静力学仿真对比分析,实时修正拓扑优化参数,采用3D打印实体模型进行相关试验分析。试验结果表明:文中所设计的空间三平移柔顺机构与3-PUU型并联机构具有同构性,为该类型柔顺机构精确建模与应用提供切实可行的途径。 

【文章来源】:机械设计. 2020,37(08)北大核心

【文章页数】:9 页

【部分图文】:

可装配式空间三平移柔顺机构拓扑构型研究


空间3-PUU型并联机构

空间,支链,平台,连接点


空间3-PUU型并联机构的结构简图如图2所示。动、定平台均为等边三角形,动平台与各支链的连接点分别为C1,C2,C3,定平台的3个连接点分别为A1,A2,A3,导轨与U副的连接点分别为B1,B2,B3。设支链长度为L1=L2=L3=L,动平台外接圆半径为r,定平台外接圆半径为R,动平台和定平台的中心分别为O"和O点,以O点为原点建立全局坐标系O-xyz,其中x轴方向为的负方向,z轴的方向为垂直定平台竖直向上,以O"点为原点建立局部坐标系O"-x"y"z",其中x"轴方向为的负方向,z"轴方向为垂直动平台竖直向上。如果用i(i=1,2,3)表示第几条支链,则相对全局坐标系O-xyz的Ai点坐标表示为(Rcosθi,Rsinθi,0),相对局部坐标系O"-x"y"z"的Ci点坐标可表示为(rcosθi,rsinθi,0),其中根据单支链的封闭矢量映射原理分析,建立等式:

受力图,螺栓,受力,压电陶瓷


设Kf=1.2,FR=FG=3.685 N,m=2,45钢的螺栓许用拉应力[σ]=300 MPa,为保证螺栓与连接件不产生滑移,根据公式及机械设计手册,取螺栓预紧力为F"=100 N,并选择M6的圆柱头螺栓进行连接。代入给定参数构建空间三平移柔顺机构模型,运用Solid Works三维软件进行三维建模,并将该模型转换成IGES格式导入到Hypermesh进行前处理,图4为空间三平移构型的有限元模型,在每个支链上预先留出压电陶瓷放置区域,其位置大小根据压电陶瓷的尺寸给定。绿色区域即3条支链部分为设计区域,其余部分为非设计区域。模型材料设定为钢材料,其弹性模量E=2.1 GPa,泊松比μ=0.3,材料密度为7.85 g/cm3,优化过程的体积约束设最大为0.5。有限元模型划分的六面体网格尺寸大小为1 mm,在各装配部件的接触面上定义接触对[12],接触对是接触分析中的两个接触面,由于是整体分析,为简化接触分析的复杂度,采用简化螺栓模型[13]来定义各螺栓。根据压电陶瓷的输出特性,通过压电陶瓷产生等效位移载荷,使得输入端分别产生0.003,0.006,0.007 mm的位移,对前处理的模型进行静力分析得到z轴方向的位移云图并取压电陶瓷输入端3个节点293251,653,281645上的位移进行检测,检测结果如图5所示。其中:节点281645在z轴上产生了2.909×10-3mm的位移,对应Δl1的位移量;节点653在z轴上产生了5.987×10-3mm的位移,对应Δl2的位移量;节点293251在z轴上产生了6.959×10-3mm的位移,对应Δl3的位移量。

【参考文献】:
期刊论文
[1]面向单向输入力的柔顺正交位移放大机构拓扑构型设计[J]. 刘敏,占金青,朱本亮,张宪民.  中国科学:技术科学. 2019(05)
[2]Topological and Shape Optimization of Flexure Hinges for Designing Compliant Mechanisms Using the Level Set Method[J]. Benliang Zhu,Xianmin Zhang,Min Liu,Qi Chen,Hai Li.  Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2019(01)
[3]平面两自由度全柔顺微运动并联机构的拓扑优化设计[J]. 朱大昌,宋马军,李雅琼.  机械设计. 2015(10)
[4]整体式平面三自由度全柔顺并联机构构型拓扑优化设计[J]. 朱大昌,冯文结,安梓铭.  机械工程学报. 2015(05)
[5]基于位移约束的类周期性连续体结构拓扑优化设计[J]. 荣见华,廖莺,赵志军,谢亿民,易继军.  应用力学学报. 2013(06)

硕士论文
[1]基于载荷路径法的机翼可变后缘柔顺结构拓扑优化研究[D]. 王婷.南京航空航天大学 2010



本文编号:3043306

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