并联髋关节试验机弹性动力学及振动控制分析

发布时间：2017-04-24 00:01

  本文关键词：并联髋关节试验机弹性动力学及振动控制分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：并联机构在大载荷、高速运动的情况下,由于受外载荷及周期性变化的惯性力作用,机构产生的弹性变形会导致动平台的运动误差,且很难通过标定的方法进行补偿。髋关节假体在进行摩擦学实验时,实验装置的运动频率需为1HZ,试验机驱动杆在摩擦力矩作用下产生弹性变形,降低了试验机模拟人体髋关节的实际运动的精度。3SPS+1PS并联机构作为所研制的并联试验平台的核心机构,需对其进行动力学建模分析、动态特性及优化、疲劳可靠性、振动主动控制。主要研究内容可概括如下:1)研究了基于KED方法的3SPS+1PS并联机构弹性动力学建模方法。利用一种空间圆截面弹性梁单元模型,推导了单元的动力学方程和支链的动力学方程;根据机构的位移协调关系和受力协调关系,将各支链弹性动力学方程和刚性动平台联结,得到了整体的弹性动力学模型;利用Newmark算法进行了并联机构动力学响应的数值求解,得到了动平台在运动过程中的弹性变形、驱动支链的驱动力以及动平台的受力情况。2)研究了基于固有频率特性的3SPS+1PS并联机构动态分析及结构优化方法。以动应力和固有频率为动态特性参数,基于弹性动力学方程的求解,得到了机构各支链的最大动应力变化以及机构的前四阶固有频率在工作空间的分布;探讨了前三阶固有频率与支链截面半径、动平台质量和动平台位置高度之间的关系;以第一阶固有频率/质量为优化指标,在主动支链的最大正应力满足约束条件下,优化选择支链合适的半径,减小了支链的最大动应力、提高系统的固有频率,达到改善机构动力学特性的目的。3)研究了根据机构支链最大动应力变化情况,采用雨流计数法对支链最大动应力进行处理分析,统计出最大动应力循环数;建立了基于Corten-Dolan的疲劳累计损伤理论疲劳寿命模型,并计算了机构各支链的疲劳寿命;最后,基于疲劳可靠性分析方法,分析了机构的疲劳可靠性,并探讨了不同结构参数下的疲劳可靠性,验证了优化后的结构参数可以明显地提高机构的疲劳寿命和可靠性。4)研究了基于滑膜变结构控制的3SPS+1PS并联机构振动主动控制。不考虑压电致动器和传感器对动力学模型影响,基于有限元法和模态理论,建立机构的模态动力学模型;以模态位移和模态速度为状态变量,在满足机构性能要求的前提下,采用最优化方法确定滑移面,基于李雅普诺夫第二法设计滑模控制器;通过致动器逆压电效应对机构前四阶模态的控制,实现对机构的振动主动控制。
【关键词】：3SPS+1PS并联机构 动力学 动态特性 疲劳可靠性 振动主动控制
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH113;R318.6
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-15
• 变量注释表15-18
• 1 绪论18-29
• 1.1 课题来源及研究目的与意义18
• 1.2 研究背景与现状18-27
• 1.3 主要研究内容27-29
• 2 3SPS+1PS并联机构弹性动力学分析29-43
• 2.1 引言29
• 2.2 3SPS+1PS仿生并联试验台介绍29-30
• 2.3 支链动力学方程30-33
• 2.4 各支链的联结33-38
• 2.5 数值仿真38-42
• 2.6 本章小结42-43
• 3 3SPS+1PS并联机构动态特性分析及优化43-54
• 3.1 引言43
• 3.2 动态特性分析43-47
• 3.3 主要影响因素47-50
• 3.4 结构优化分析50-53
• 3.5 本章小结53-54
• 4 3SPS+1PS并联机构疲劳可靠性分析54-66
• 4.1 引言54
• 4.2 疲劳可靠性分析理论54-56
• 4.3 机构疲劳寿命计算56-60
• 4.4 疲劳寿命可靠性分析60-65
• 4.5 本章小结65-66
• 5 3SPS+1PS并联机构振动主动控制66-77
• 5.1 引言66
• 5.2 滑模变结构控制基本原理66-67
• 5.3 受控系统状态空间方程67-69
• 5.4 滑模变结构控制器的设计69-72
• 5.5 数值仿真72-75
• 5.6 本章小结75-77
• 6 结论77-79
• 参考文献79-87
• 作者简历87-89
• 学位论文数据集89

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 白志富,韩先国,陈五一;基于Lagrange方程三自由度并联机构动力学研究[J];北京航空航天大学学报;2004年01期

2 杜兆才;余跃庆;;柔性机器人的动态应力计算及疲劳特性分析[J];中国机械工程;2007年24期

3 胡俊峰;张宪民;;一种新型两自由度柔性并联机械手的主动振动控制及其仿真[J];中国机械工程;2010年17期

4 章定国;周胜丰;;DYNAMIC ANALYSIS OF FLEXIBLE-LINK AND FLEXIBLE-JOINT ROBOTS[J];Applied Mathematics and Mechanics(English Edition);2006年05期

  本文关键词：并联髋关节试验机弹性动力学及振动控制分析，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：323212