超弹性柔性铰链的建模和优化设计

发布时间：2017-08-18 10:44

  本文关键词：超弹性柔性铰链的建模和优化设计

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【摘要】：柔性铰链作为一体化的运动副,被广泛应用于微定位装置、压电致动器、位移放大装置、天线指向等具有高精度需求的场合。相比于传统的刚性运动副,其有效地避免机械装配过程中存在间隙,以及使用过程中的摩擦、磨损等问题,因此极大地提高了机构的精度和分辨率。然而,普通金属制备的柔性铰链由于材料变形能力的限制,使其在大范围运动空间方面的应用受到了制约。为了解决上述问题,本文采用形状记忆合金制备柔性铰链,利用材料的超弹性效应实现关节的大范围转动,在此基础上开展铰链的建模及优化等工作。为了描述形状记忆合金的超弹性效应,本文基于Brinson本构模型提出了一种简化的、适合有限元计算的分段线性模型,并结合共旋坐标法建立超弹性柔性铰链的静力学模型,兼顾了由柔性铰链大转角、大应变引起的几何非线性与材料非线性。在此基础上,提出了三项评价超弹性柔性铰链转动性能的指标(转动能力、转动偏差及柔度),对比分析了不同截面(椭圆型、双曲线型、抛物线型)柔性铰链的性能,最终选择性能更优的椭圆型柔性铰链作为优化设计的目标。ABAQUS有限元分析表明共旋坐标法建立的模型误差小于3%,从仿真角度验证了理论模型的正确性。在建立超弹性柔性铰链刚度模型的基础上,采用拉格朗日方程建立柔性铰链的动力学方程,并结合牛顿-拉夫逊迭代法与Newmark法求解该非线性方程。采用ABAQUS验证了建立的动力学模型,并针对超弹性柔性铰链的动态特性,从阻尼作用、超弹性变形以及共振响应三个方面进行分析。结果表明,相比于普通金属制备的柔性铰链,超弹性柔性铰链在不仅运动范围更大,而且其自身在振动抑制与防止共振方面具有明显的优势。基于已建立的静力学及动力学模型,对椭圆型超弹性柔性铰链的尺寸参数开展多目标优化,以转动能力、转动偏差、柔度和转动方向上的一阶固有频率为优化目标,建立多目标优化的数学模型,采用受控的精英保留型遗传算法对优化问题进行求解,并根据设计目标,选出全局目标下的最优解。最后采用镍钛合金加工了三种不同截面的超弹性柔性铰链开展实验验证。基于MATLAB图像处理的原理,采用CCD工业相机对柔性铰链静态变形进行测量。采用单点式激光多普勒测振仪与数字存储示波器开展柔性铰链的振动测试。实验结果验证了本文基于共旋坐标理论建立的力学模型的正确性。
【关键词】：超弹性柔性铰链 共旋坐标法 非线性建模 结构优化设计
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH132.45
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 课题研究的背景及意义9-10
• 1.2 柔顺机构的研究现状10-12
• 1.3 柔性铰链的分类和研究现状12-16
• 1.3.1 柔性铰链的分类12-13
• 1.3.2 柔性铰链的研究现状13-16
• 1.4 研究现状分析16-17
• 1.5 课题来源及主要研究内容17-19
• 第2章 超弹性柔性铰链的静力学建模与分析19-34
• 2.1 引言19
• 2.2 超弹性效应的本构模型及简化19-23
• 2.2.1 Brinson本构模型19-21
• 2.2.2 分段线性本构模型21-23
• 2.3 共旋坐标系下梁单元的变形模型23-28
• 2.3.1 共旋坐标理论23-25
• 2.3.2 欧拉-伯努利梁理论25-27
• 2.3.3 数值解法27-28
• 2.4 转动性能的评价指标28-30
• 2.5 几种柔性铰链的性能比较30-32
• 2.6 静态变形的仿真验证32-33
• 2.7 本章小结33-34
• 第3章 超弹性柔性铰链的动力学分析与优化设计34-51
• 3.1 引言34
• 3.2 超弹性柔性铰链的动力学模型34-39
• 3.2.1 惯性力和质量矩阵34-36
• 3.2.2 非线性动力学方程36-38
• 3.2.3 数值解法38-39
• 3.3 仿真验证及动态特性分析39-46
• 3.3.1 阻尼作用39-42
• 3.3.2 超弹性变形42-44
• 3.3.3 共振响应44-46
• 3.4 超弹性柔性铰链的结构优化46-50
• 3.4.1 优化问题的提出46-48
• 3.4.2 优化问题的求解48-50
• 3.5 本章小结50-51
• 第4章 实验平台构建与实验研究51-61
• 4.1 引言51
• 4.2 超弹性柔性铰链静态变形实验51-55
• 4.2.1 铰链静态变形测量原理及平台构建52-53
• 4.2.2 实验结果及分析53-55
• 4.3 超弹性柔性铰链振动测试55-60
• 4.3.1 铰链振动测量原理及平台构建55-57
• 4.3.2 实验结果及分析57-60
• 4.4 本章小结60-61
• 结论61-63
• 参考文献63-67
• 攻读学位期间发表的学术论文67-69
• 致谢69

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本文编号：694170