3-PSP并联机构刚柔耦合系统建模与结构优化分析

发布时间：2017-04-29 18:13

  本文关键词：3-PSP并联机构刚柔耦合系统建模与结构优化分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：并联机构是国际上机械装备研究领域的新兴课题,国内外学者做了大量的研究工作。因其具有承载能力强、累积误差小、刚度大、精度高、动力性好等一系列优点,使其在制造领域具有良好的发展前景。虽然并联机构因其特点,弥补了串联机构由于铰接间隙和悬臂变形引起的不足,但连杆的变形及系统的振动仍是影响精度的主要原因。所以,并联机构的弹性变形对其精度和动态特性的影响仍是不可忽略的问题。尤其是连杆在运动中的实际状况,会对整个机构的加工精度产生重要的影响。本文在前人研究的基础上,以具有三自由度的3-PSP并联机构为主要研究对象,对其进行结构分析,并将虚拟样机技术应用到并联机构运动仿真的研究中,对杆件进行柔性化处理,建立该并联机构的刚柔耦合系统模型,对其运动学及动力学进行研究分析与仿真分析。同时利用有限元软件,以质量轻化为优化目的,对机构模型进行拓扑优化研究,并从应力、应变、模态频率及屈曲分析四方面对优化前后结果进行对比分析,为该3-PSP并联机构实现高效的设计研究做出有意义的尝试,全文主要研究内容如下：(1)论述本课题的研究背景和并联机构国内外发展历史及状况,总结前人的研究方法及优势,综述刚柔耦合系统的提出与拓扑优化的基本概念,指出将虚拟样机技术引入到并联机构仿真设计研究的实用性。(2)对3-PSP并联机构进行位姿分析,利用封闭矢量环法,构造机构的运动学方程,并对其进行位姿的正解与逆解分析；运用多体动力学软件ADAMS对3-PSP并联机构进行运动学仿真,分析机构驱动副的位移、速度和加速度曲线,将其与理论计算相比较,验证虚拟样机模型运动学仿真分析结果的正确性及准确性；基于运动学仿真分析的基础上,对机构进行动力学逆解分析,求得驱动副力的变化曲线,就其仿真结果预测电机驱动力,进而为选取电机型号做准备。(3)运用Solidworks、ANSYS和ADAMS虚拟样机软件相结合的方法,针对结构中对运动影响较大的细长杆件进行柔性化处理,考虑其弹性变形对机构的影响,对3-PSP并联机构进行刚柔耦合系统建模；然后利用刚柔耦合动力学模型,对机构进行动力学仿真分析,验证刚柔耦合系统是一种能建立更真实的反应机构在实际中运动状况的虚拟样机模型的方法。(4)为使3-PSP并联机构结构更加合理,用材更经济,达到高性价比的制造目的,利用拓扑优化理论和有限元软件ANSYS Workbench对机构主要部件进行拓扑优化设计,并对优化结果进行校核分析,同时与优化前的结构进行对比,验证优化结果的可实用性。利用虚拟样机技术对机械系统进行联合仿真分析,可对机构的性能进行分析和预估,为物理样机的制作和设计提供参考意见。本文通过采用虚拟样机技术对3-PSP并联机构刚柔耦合系统模型进行建模与仿真,验证了柔性体弹性变形在运动中会对机构造成影响,并通过与理论公式对比,证明了该建模方法的正确性,为同类课题研究提供了可靠的研究方法和参考依据。并通过对机构的结构优化分析,添加对应约束条件,在满足强度、刚度的基础上减轻了机构质量,重新设计出新的拓扑模型。因此本文研究方法与结论均在理论研究的基础上得到,具有重要的参考价值。
【关键词】：并联机构 刚柔耦合 仿真 拓扑优化
【学位授予单位】：沈阳建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH112
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 课题研究的背景12-15
• 1.2 发展概述15-19
• 1.2.1 国内外并联机构及刚柔耦合系统研究15-17
• 1.2.2 并联机构优化国内外研究现状17-19
• 1.3 课题研究的目的和意义19-20
• 1.4 课题研究的主要内容20-22
• 1.4.1 课题的研究内容20
• 1.4.2 课题的研究方法20-22
• 第二章 3-PSP并联机构运动学分析及仿真22-38
• 2.1 3-PSP并联机构简介22-25
• 2.1.1 3-PSP并联机构运动方式22-23
• 2.1.2 3-PSP并联机构设计参数23
• 2.1.3 3-PSP并联机构自由度计算23-25
• 2.2 并联机构运动学理论研究25-27
• 2.2.1 位姿描述25
• 2.2.2 坐标变换25-27
• 2.3 基于矢量法的3-PSP并联机构运动学分析27-32
• 2.3.1 运动学逆解27-30
• 2.3.2 运动学正解30-32
• 2.4 3-PSP并联机构运动学仿真分析32-35
• 2.4.1 3-PSP并联机构三维建模32
• 2.4.2 多刚体系统运动学仿真32-35
• 2.5 运行学算例35-36
• 2.6 本章小结36-38
• 第三章 3-PSP并联机构刚柔耦合系统建模与动力学仿真38-58
• 3.1 动力学系统理论研究38-41
• 3.1.1 多刚体系统动力学方程38-39
• 3.1.2 刚柔耦合系统动力学方程39-41
• 3.2 基于虚拟样机技术的联合建模方法与流程41-45
• 3.2.1 基于Solidworks和ADAMS的联合建模方法41-43
• 3.2.2 基于ADAMS和ANSYS的刚柔耦合系统建模方法43-45
• 3.3 3-PSP并联机构连杆柔性体的建立45-48
• 3.3.1 柔性体文件的建立方法45-46
• 3.3.2 柔性体文件建立的关键问题46-47
• 3.3.3 模态中性文件MNF的生成47-48
• 3.4 3-PSP并联机构刚柔耦合系统建模48-51
• 3.4.1 3-PSP并联机构虚拟样机模型导入48-49
• 3.4.2 添加约束49-50
• 3.4.3 刚柔耦合系统模型的建立50-51
• 3.5 刚柔耦合系统仿真51-55
• 3.5.1 刚柔耦合系统运动学仿真51-52
• 3.5.2 刚柔耦合系统动力学仿真52-55
• 3.6 仿真结果分析55
• 3.7 本章小结55-58
• 第四章 3-PSP并联机构拓扑优化研究58-76
• 4.1 拓扑优化理论58-61
• 4.1.1 拓扑优化主要方法58-59
• 4.1.2 拓扑优化方法的优势59
• 4.1.3 拓扑优化的理论模型59-61
• 4.1.4 拓扑优化的步骤61
• 4.2 基于ESO法3-PSP并联机构拓扑优化61-67
• 4.2.1 连杆优化62-66
• 4.2.2 静平台优化66-67
• 4.3 优化结果校核与分析67-74
• 4.4 本章小结74-76
• 第五章 结论76-78
• 5.1 结论76-77
• 5.2 展望77-78
• 参考文献78-82
• 作者简介82
• 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文82-84
• 致谢84

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 任帅;宋冬冬;;基于ICM拓扑优化的加工中心床身轻量化设计[J];机床与液压;2014年13期

2 邹瑶;汤文成;;数控转塔冲床机身动态特性分析[J];机械设计与制造工程;2014年07期

3 黄庭梅;刘奕;鲁美成;张云峰;彭学明;;CK6163c数控车床床身的特性分析及优化研究[J];机械工程师;2014年06期

4 王田苗;陶永;;我国工业机器人技术现状与产业化发展战略[J];机械工程学报;2014年09期

5 孙汉旭;赵伟;张延恒;;新型变结构球形机器人运动分析[J];机械工程学报;2013年19期

6 姚建涛;李立建;窦玉超;武国旺;曾达幸;赵永生;;大型射电望远镜天线副面调整机构完整刚度模型及微位移分析[J];机械工程学报;2013年21期

7 叶伟;方跃法;郭盛;陈志鸿;;一种新型并联机构的运动分岔特性及运动学分析[J];机械工程学报;2013年13期

8 刘晓;赵铁石;边辉;罗二娟;苑飞虎;;耦合型3自由度并联稳定平台机构动力学分析[J];机械工程学报;2013年01期

9 解本铭;王新旭;;基于ANSYS与ADAMS的并联机构刚柔耦合体动力学分析[J];机电产品开发与创新;2012年01期

10 刘善增;朱真才;余跃庆;刘初升;张连杰;;空间刚柔耦合并联机构系统的频率特性分析[J];机械工程学报;2011年23期

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 陈远大;斯特林机菱形机构结构优化与刚柔耦合动力学仿真[D];重庆大学;2012年

2 杨永亮;基于有限元的车床床身结构优化[D];大连理工大学;2006年

  本文关键词：3-PSP并联机构刚柔耦合系统建模与结构优化分析，由笔耕文化传播整理发布。

，

本文编号：335365