考虑温度效应的精密微动平台力学性能研究

发布时间：2017-05-15 03:07

  本文关键词：考虑温度效应的精密微动平台力学性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：精密微动平台广泛应用于生物工程、医疗科学、微机械制造、航空航天等前沿领域。微动平台往往工作于温度变化的环境中,温度变化会使其产生热应力和热变形,降低了平台的精度,所以,考虑温度效应的精密微动平台的力学性能研究具有重要的理论和实际意义。本文考虑了温度效应,采用有限元方法对精密微动平台进行建模、性能分析和性能综合,主要工作如下:(1)为了减小温度效应对柔性铰链的影响,比较分析直梁、直圆、椭圆和抛物线型4种典型柔性铰链的温度效应,以便合理选取柔性铰链设计柔顺机构。将柔性铰链划分为2个变截面梁单元,计入温度变化产生的初应变,采用最小势能原理推导出4种柔性铰链的热载荷向量和刚度矩阵,采用拉格郎日方程得出其质量矩阵,得出铰链的力学模型。基于柔性铰链的有限元模型,并以柔顺四杆机构为算例,分别对基于4种柔性铰链的机构的精度、热应力和热振动进行比较分析,分析结果表明:直圆型铰链的热误差最大,抛物线型次之,椭圆型和直梁型最小;所受热应力由大到小的顺序为直圆、椭圆、抛物线和直梁型铰链;直梁型柔性铰链的热振动谐振频率最小,直圆型和椭圆型次之,抛物线型最大,说明直梁型柔性铰链更容易受动态温度变化影响,但抛物线型在谐振频率处的幅值最大,抛物线型铰链热振动更大。(2)为了分析温度变化对桥式微动平台的力学性能的影响,采用有限元方法建立其力学模型。为了验证力学模型的精确性,与ANSYS分析结果进行比较分析,两者的结果差值在3.3%~11.3%范围之内,说明该力学模型与软件的分析结果一致,能精确反映其力学性能,为平台的优化设计提供一种有效的模型。基于该模型对桥式平台进行温度效应对其性能影响分析,分析结果表明:温度变化对平台的静态运动精度有较大影响;可通过选择合理的结构参数减小热误差;在动态热载荷作用下会产生热振动;温度变化会在平台中产生明显的热应力。所以,不能忽略温度效应对平台的影响,需要基于所建立的力学模型和性能分析结果对平台的进行优化设计,以减小环境温度变化对精密微动平台的影响。(3)以桥式微动平台为研究对象,分别从优化结构参数角度和构型设计角度减小平台的温度效应。首先从优化结构参数角度减小平台的温度效应,选择对热误差敏感的结构参数为优化设计变量,以热误差和最大热应力为优化目标,固有频率为约束建立优化模型,通过平台的结构参数优化设计提高其操作精度,同时减小平台的热应力。分析结果表明,该优化模型满足约束条件,同时使平台的热误差减小了44.35%,证明了优化模型的有效性。然后从构型设计角度减小平台的温度效应,根据结构的对称性对温度效应相互抵消作用,提出对称式、互补式桥式机构以减小温度效应。分析结果表明,在相同温度变化下,互补式、对称式平台均能降低热误差,且对称式桥式机构的热误差较互补式更小。(4)为了实现平台的稳健设计,以1维微动平台为研究对象,将温度变化和热膨胀系数视为噪声因素,采用田口稳健设计方法分别从静态和动态特性进行参数设计,寻找使得平台性能波动达到最小的结构参数的水平组合,以减小温度效应对平台的影响。静态稳健设计采用有限元方法建立力学模型,采用正交表设计和主效应分析,确定最佳控制因子水平组合。结果分析表明,优化后热误差的均值降低了16.03%,方差降低了12.07%,信噪比提高了1.1%。平台在进行微操作过程中,希望平台的输出位移随着输入位移的变化而变化,所以需要进行动态的稳健设计。采用动态信噪比反映在温度变化和热膨胀系数波动的作用下输出位移的波动,采用灵敏度表征输入位移和输出位移之间的敏感程度。通过正交试验设计和主效应分析确定最佳结构参数组合。在相同噪声因素的影响下,比较分析优化前与优化后的输出位移的均值和标准差,结果表明,动态特性值的信噪比和灵敏度均变大,即优化后输出位移的均值变大,标准差变小,说明设计思路的可行性。
【关键词】：温度效应 精密微动平台 力学性能 有限元方法 稳健设计
【学位授予单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH112;TH703.8
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-11
• 第一章 绪论11-20
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 研究现状12-18
• 1.2.1 精密微动平台的建模方法12-13
• 1.2.2 精密微动平台的性能分析13-17
• 1.2.3 精密微动平台的性能综合17-18
• 1.3 主要研究内容18-20
• 第二章4种典型柔性铰链的温度效应20-38
• 2.1 引言20
• 2.2 计入温度效应的柔性铰链力学模型20-24
• 2.3 柔性铰链的性能比较24-34
• 2.3.1 4种典型柔性铰链的力学模型24-31
• 2.3.2 铰链的精度比较分析31-33
• 2.3.3 铰链的热振动比较分析33-34
• 2.4 算例分析34-37
• 2.4.1 稳态热误差比较分析34-36
• 2.4.2 热应力比较分析36-37
• 2.4.3 频率响应比较分析37
• 2.5 结论37-38
• 第三章 考虑温度效应的桥式微动平台力学性能分析38-45
• 3.1 引言38
• 3.2 计入温度效应的精密微动平台力学模型38-39
• 3.3 桥式机构的力学性能分析39-44
• 3.3.1 有限元模型验证39-41
• 3.3.2 稳态热误差分析41-42
• 3.3.3 动态热误差分析42
• 3.3.4 热应力分析42-44
• 3.4 结论44-45
• 第四章 考虑温度效应的桥式微动平台优化设计45-57
• 4.1 引言45
• 4.2 从优化结构参数角度减小平台温度效应45-49
• 4.2.1 确定优化设计变量45-47
• 4.2.2 建立优化模型47-49
• 4.3 从构型设计角度减小平台温度效应49-55
• 4.3.1 2种桥式微动平台49-51
• 4.3.2 4种对称式桥式微动平台51-53
• 4.3.3 2种互补式桥式微动平台53-55
• 4.4 结论55-57
• 第五章 考虑温度效应的精密微动平台稳健设计57-78
• 5.1 引言57
• 5.2 1维精密微动平台57-58
• 5.3 基于稳健思想的微动平台的参数设计58-59
• 5.4 静态稳健设计59-69
• 5.4.1 平台模型59-60
• 5.4.2 确定可控因素和噪声因素60-63
• 5.4.3 正交表设计63-66
• 5.4.4 主效应分析66-67
• 5.4.5 最佳控制水平的选择67-68
• 5.4.6 验证分析68-69
• 5.5 动态稳健设计69-77
• 5.5.1 选取因素与水平69-70
• 5.5.2 动态稳健设计正交表设计70-72
• 5.5.3 主效应分析72-73
• 5.5.4 选择最佳控制水平73-74
• 5.5.5 验证分析74-77
• 5.6 结论77-78
• 第六章 结论及展望78-80
• 6.1 主要工作及结论78-79
• 6.2 创新点79
• 6.3 研究展望79-80
• 参考文献80-84
• 致谢84-85
• 攻读学位期间的研究成果85-86

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 曹锋;焦宗夏;;双轴椭圆柔性铰链的设计计算[J];工程力学;2007年04期

2 吴恒安,梁海弋,王秀喜;结构热动力响应分析有限元方法[J];航空动力学报;2000年03期

3 孟宪举,张策;弹性曲柄摇杆机构的基频特性分析[J];机械设计;2001年01期

4 王华;张宪民;;整体式空间3自由度精密定位平台的优化设计与试验[J];机械工程学报;2007年03期

5 李军强;;井下温度对钻柱轴向振动固有频率的影响分析[J];石油钻探技术;2006年03期

6 张瑞军;邱继伟;王晓伟;董明晓;;基于多目标非耦合优化策略的可靠性稳健优化设计[J];中国机械工程;2014年02期

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本文编号：366750